способ определения дальности до аэрологического радиозонда

Формула изобретения

Способ определения дальности до аэрологического радиозонда, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком, согласно которому подают наземной радиолокационной станцией (РЛС) запросный сигнал на аэрологический радиозонд, с помощью сверхрегенеративного приемопередатчика усиливают его и переизлучают в направлении РЛС, где сравнивают запросные и ответные сигналы, определяют времени задержки между ними и, по времени задержки, определяют дальность до аэрологического радиозонда, отличающийся тем, что в качестве запросного сигнала используют когерентные запросные радиоимпульсы, которые синхронизируют фазу радиоимпульсов сверхрегенеративного приемопередатчика, а также тем, что сравнение запросных и ответных сигналов осуществляют с помощью фазового детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится радиотехнике, а именно к радиолокации, и может быть использовано для определения наклонной дальности радиоимпульсным методом, например, до аэрологических радиозондов (АРЗ), также может быть использовано для сопровождения АРЗ по дальности.

Общеизвестен радиоимпульсный метод определения дальности до цели, при котором дальность определяется в результате измерения времени прохождения t_p=2R _н/С зондирующим радиоимпульсным сигналом расстояния от РЛС до отражающей цели и обратно, где R_н - наклонная дальность до цели, С - скорость света. Время распространения t_p может измеряться непосредственно при фиксации моментов излучения зондирующего и приема отраженного сигналов.

Недостатком этого простого метода являются следующие: быстрое снижение уровня отраженного сигнала при увеличении расстояния, большая интенсивность помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов, а также трудность обеспечения заданной точности измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.

Отличительной особенностью отечественных систем радиозондирования является измерение радиоимпульсным методом наклонной дальности до АРЗ, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП), обеспечивающим активный ответный сигнал. Запросный радиоимпульс от аэрологического радиолокатора вызывает изменение структуры радиоимпульсов, постоянно излучаемых приемопередатчиком АРЗ, выражающееся в появлении энергетического максимума - первичной реакции ₁ и энергетического минимума в виде «паузы» - вторичной реакции ₂ (фиг.1). Временная задержка от момента формирования запросного сигнала - импульса запуска передатчика аэрологического радиолокатора до энергетического минимума в ответном сигнале t_р, принимаемом аэрологическим радиолокатором, определяет значение реальной наклонной дальности до АРЗ, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М.: Гидрометеоиздат, 1989 г., стр.61-67 - прототип. Чувствительность сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда к запросному сигналу РЛС составляет в этом режиме работы порядка минус 86 дБ/Вт, а импульсная мощность передатчика запросного сигнала РЛС при оперативном радиусе работы системы 200 км составляет 15-20 кВт.

Суть известного метода сводится к тому, что образование ответной паузы происходит за счет сокращения длительности переднего фронта радиоимпульсов (сверхрегенеративного эффекта) СПП, случайно совпадающих по времени с запросными некогерентными радиоимпульсами РЛС. (Точнее это происходит при совпадении запросных радиоимпульсов с приемным интервалом _пр СПП, который находится вблизи момента включения автогенератора СПП суперирующими импульсами. Частота суперирующих (управляющих) импульсов F _c определяет частоту следования радиоимпульсов СПП и составляет около 800 кГц. Следует подчеркнуть, что частота повторения запросных радиоимпульсов (период Т_п, см. фиг.7) определяет однозначное измерение дальности и составляет при оперативном радиусе системы радиозондирования в 200 км около 800 Гц.). При этом происходит соответствующее увеличение энергии этих радиоимпульсов СПП из-за увеличения их длительности. На фиг.1 это показано как увеличение амплитуды сигнала радиозонда (первичная реакция ₁) на выходе амплитудного детектора приемного устройства РЛС. Инерционная цепь автосмещения автогенератора СПП при генерации радиоимпульсов, имеющих большую длительность, получает дополнительный заряд в запирающем направлении. Поэтому автогенератор СПП на короткое время (порядка 0.5 мксек) запирается и прекращает излучение последующих радиоимпульсов. Образуется характерная пауза (вторичная реакция ₂) в принимаемом сигнале радиозонда, по которой происходит определение времени задержки t _p и вычисление наклонной дальности. Однако для образования ответной паузы требуется определенная мощность запросного сигнала радиолокатора, попадающая на вход СПП, которая должна быть не менее минус 86 дБ/Вт.

Этот метод и теория СПП с вторичной реакцией в современной интерпретации подробно описаны в монографии (см. Радиозондирование атмосферы. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0).

Следует подчеркнуть, что для образования ответного сигнала СПП в прототипе используется только энергия запросных радиоимпульсов. Информация о фазе высокочастотного заполнения радиоимпульсов не используется.

Технической задачей изобретения является снижение мощности передатчика запросного сигнала, повышение помехоустойчивости комплекса и повышение скрытности работы наземной РЛС.

Указанная цель решается следующим образом. Предлагается способ определения дальности до аэрологического радиозонда, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком, включающий подачу запросного сигала наземной РЛС на аэрологический радиозонд, его усиление и переизлучение с помощью сверхрегенеративного приемопередатчика в направлении РЛС, отличающийся тем, что в качестве запросного сигнала используют когерентные запросные радиоимпульсы, которые синхронизируют фазу радиоимпульсов сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда, переизлучают их в направлении РЛС, выделяют из принятого излучения сверхрегенеративного приемопередатчика когерентные ответные радиоимпульсы, определяют время задержки между запросными и ответными когерентными радиоимпульсами и определяют по времени задержки дальность до радиозонда.

На фиг.1 показаны: U_зс - огибающая запросных радиоимпульсов РЛС; U_вых - ответный сигнал в виде первичной реакции ₁ и вторичной реакции ₂ - энергетического минимума (паузы) на выходе приемного устройства РЛС.

На фиг.2 показаны: (а) - спектр несинхронизированных радиоимпульсов G(f), излучаемых СПП аэрологического радиозонда; (б) - амплитудно-частотная характеристика Y(f) СПП в режиме приема.

На фиг.3 показано изменение функции плотности распределения разности фаз W( ) гармонического сигнала и шума в контуре в течение приемного интервала _пр работы СПП в зависимости от отношения уровня запросного сигнала к шуму S.

На фиг.4 показан спектр ответных синхронизированных радиоимпульсов СПП G _спп(f) и спектр запросного сигнала G_зс (f). Несущая частота радиоимпульсов СПП - f_спп . Несущая частота запросного сигнала - f_зс .

На фиг.5 изображена структурная схема РЛС с когерентно-импульсной обработкой ответного сигнала сверхрегенеративного приемопередатчика; на которой изображено: 1 - синхронизатор РЛС; 2 - когерентный импульсный передатчик; 3 - антенный переключатель; 4 - приемное устройство; 5 - блок сравнения фаз (фазовый детектор ФД); 6 - система измерения дальности; 7 - антенна наземной РЛС (А _рлс); 8 - антенна АРЗ (А_арз); 9 - СПП АРЗ; U_зс - запросный сигнал; U _on(t) - опорный сигнал; U_с(t) - сигнал с выхода радиоканала; U_пр - сигнал с приемного блока; U_вых(t) - искомый сигнал полезной информации; U_c1, U_c2 - сигналы временной синхронизации передатчика и системы измерения дальности; U_Д - сигнал дальности.

На фиг.6 показана форма ответного сигнала сверхрегенеративного приемопередатчика (СПП) на выходе фазового детектора U _ФД РЛС. Здесь: U_oc - уровень ответного сигнала; U = флуктуационная составляющая в ответном сигнале, зависящая от уровня запросного сигнала S.

На фиг.7 изображены последовательность запросных радиоимпульсов U _зс и ответный сигнал U_ФД на выходе ФД радиолокатора.

Когерентный импульсный передатчик 2 запросным сигналом U_зс связан с сигнальным входом антенного переключателя 3, а опорным сигналом U _on(t) - с опорным входом ФД 5; антенный переключатель 3 сигнальным выходом U_с(t) через приемный блок 4 связан с сигнальным входом ФД, входом/выходом связан с антенной наземной РЛС (А_рлс) 7, которая через радиоканал связана с антенной АРЗ 8, которая в свою очередь связана с входом/выходом СПП АРЗ 9; синхронизатор 1 связан с входом когерентного передатчика 2 и с входом системы измерения дальности 6.

Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС. Когерентный импульсный передатчик 2 может быть выполнен на основе синтезатора частоты, генерирующего опорный когерентный сигнал на частоте, принятой в радиолокационных станциях зондирования атмосферы f=1680±10 МГц; блок сравнения фаз (ФД) 5 может быть выполнен по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.325-328; антенный переключатель 3 может быть выполнен по стандартной схеме балансного антенного переключателя, см. «Микроэлектронные устройства СВЧ», под ред. Г.И.Веселова, М.: Высшая школа, 1988, стр.82-83; приемный блок 4 может быть выполнен на малошумящем усилителе с задержанной АРУ, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.229; антенна РЛС А_рлс5 может быть выполнена в виде фазированной антенной решетки, см. Патент РФ №2161847; антенная система АРЗ 8 и СПП радиозонда 9 могут быть выполнены по патентам РФ №2214614 и №2172965 соответственно; синхронизатор 1 и система измерения дальности могут быть выполнены на стандартных микроконтроллерах.

В структурной схеме приняты следующие допущения: не показана общая синхронизация узлов и блоков РЛС от микропроцессорной системы управления, которые также не показаны, не показано управление антенным переключателем, не показана внутренняя структура приемного блока и т.д., которые не являются обязательными для рассмотрения самого метода.

Главной особенностью данного способа является собственно построение СПП и особенности приема РЛС ответных сигналов от СПП АРЗ. Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Предлагаемый в материалах заявки способ определения дальности до радиозонда принципиально отличается от известного, поскольку в этом случае ответный сигнал СПП связан не с энергией ответных радиоимпульсов, а с фазой их высокочастотного заполнения, навязанной когерентным сигналом передатчика РЛС. Пауза в этом случае в излучении СПП (вторичная реакция ₂) не образуется и не требуется для выделения ответного сигнала радиозонда. Обнаружение и сопровождение ответного сигнала происходит на выходе фазового детектора (ФД) РЛС, который реагирует на фазу приходящих радиоимпульсов, осуществляя сравнение с фазой запросных радиоимпульсов.

Принципиальной особенностью работы СПП является полная статистическая независимость излучаемых радиоимпульсов, т.е. фаза каждого радиоимпульса, определяемая шумовыми колебаниями в контуре СПП в момент его запуска, совершенно не коррелирована с фазой предыдущего радиоимпульса. Процесс синхронизации фазы автоколебаний происходит в течение приемного интервала _пр работы СПП и определяет фазу излучаемых радиоимпульсов.

При отсутствии запросного сигнала высокочастотная фаза радиоимпульсов СПП формируется под действием флуктуационного шума, действующего в течение приемного интервала _пр СПП. Поскольку флуктуационные колебания в контуре СПИ близки по характеру к «белому шуму», то начальная фаза радиоимпульсов будет распределена равномерно в диапазоне от 0 до 2 .

На фиг.3 показан закон плотности распределения фазы случайного процесса, которому подчиняется распределение фазы радиоимпульсов СПП. Когда сигнал отсутствует (s=0, s=U _c/ - отношение амплитуды сигнала U_c к среднеквадратичному значению шума в контуре), этот закон изображается прямой, проходящей на уровне , что соответствует равномерному распределению фазы узкополосного стационарного нормального случайного процесса. Поэтому спектр радиоимпульсов излучаемых СПИ имеет сплошной шумовой характер в пределах огибающей спектра, см. фиг.2.

Появление в контуре СПП гармонического внешнего сигнала с амплитудой U _c, сопоставимой, а также превышающей уровень шума , приводит к тому, что в распределении фазы случайного процесса появляется регулярная составляющая. В общем случае закон распределения фазы случайного флуктуационного процесса в контуре при воздействии внешнего гармонического сигнала описывается выражением вида:

при условии ,

где s=U_c/ - отношение амплитуды сигнала U_c к среднеквадратичному значению шума в контуре; F(scos ) - интеграл вероятности.

На фиг.3 также показаны расчетные зависимости закона распределения разности фаз между случайным процессом и внешним воздействием в зависимости от отношения сигнал/шум s. Из представленных зависимостей ясно видно, что уже при значении S=3 и более фаза внешнего сигнала является доминирующей и практически полностью определяет закон распределения фаз. Таким образом, внешний сигнал, превышающий по мощности примерно на 10-15 дБ внутренний шум в контуре СПП, вызывает практически полную синхронизацию фазы радиоимпульсов СПП. Этим обеспечивается жесткая привязка фазы радиоимпульсов СПП к фазе запросного сигнала. Поэтому СПП можно рассматривать как активный ретранслятор фазы с очень высокой чувствительностью. Так, при реальной мощности шумов СПП в пределах - 120-125 дБ/Вт, необходимая мощность запросного сигнала, обеспечивающая синхронизацию фазы, будет составлять не более минус 110-115 дБ/Вт.

Таким образом, при появлении на входе СПП последовательности когерентных запросных радиоимпульсов СПП отвечает последовательностью синхронизированных когерентных радиоимпульсов, спектр которых имеет дискретный линейчатый характер G _спп(f) (см. фиг.4). На фиг.3 спектр запросного сигнала G_зс(f) для простоты представлен в виде одной спектральной гармонической составляющей, поскольку длительность запросных радиоимпульсов _зс=1.5-3 мкс в несколько раз превосходит длительность радиоимпульсов СПП _и=0.25-0.35 мкс и в десятки раз больше длительности приемного интервала _пр=0.05 мкс СПП, в течение которого происходит эффект синхронизации. Таким образом, когерентный запросный сигнал РЛС за счет синхронизации фазы из сплошного спектра формирует дискретный, линейчатый спектр СПП. При этом одна из дискретных составляющих спектра оказывается связанной с частотой внешнего сигнала f_зс с точностью до фазы, а другие дискретные составляющие будут находиться друг от друга на расстоянии, равном значению суперирующей частоты F_c , которая задается генератором суперирующего напряжения СПП и от внешнего сигнала не зависит. В общем случае положение дискретных составляющих спектра f_сппi относительно несущей частоты f_спп произвольно и зависит только от текущего положения частоты запросного сигнала f _зс относительно несущей частоты СПП f_спп .

Сравнение фазы ответных радиоимпульсов с фазой опорного сигнала в приемнике РЛС принципиально может быть осуществлено на несущей частоте радиосистемы или на промежуточной частоте приемника РЛС. Необходимо пояснить структуру сигнала на выходе ФД. При отсутствии запросного сигнала последовательность радиоимпульсов СПП на промежуточной частоте, поступающая на вход ФД, имеет сплошной, шумоподобный спектр, аналогичный спектру на СВЧ, изображенному на фиг.4. В этом случае фазы радиоимпульсов СПП некоррелированы и распределены равномерно, а выходной сигнал ФД представляет собой непрерывный шумовой поток разнополярных видеоимпульсов (см. фиг.6), равномерно распределенных по амплитуде во всем диапазоне от -U_max до +U_max .

В течение времени действия запросных когерентных радиоимпульсов на входе СПП спектр его ответных радиоимпульсов G _спп(f) на выходе приемного устройства, как отмечалось, также будет иметь дискретную структуру (см. фиг.4). Поэтому сигнал на выходе ФД будет изменяться с частота биений F _Д между частотой опорного сигнала f_ос и первой совпадающей гармоникой f_спп0 синхронизированных радиоимпульсов. Частота биений с другими гармониками спектра СПП f_сппi увеличивается пропорционально F_c и номеру этих гармоник относительно f_оп и f_спп0 (см. фиг.4). Поэтому суммарный сигнал на выходе ФД U _ФД оказывается весьма сложным. Для уменьшения влияния высших составляющих биений на выходе ФД используется фильтр нижних частот ФНЧ. Полоса пропускания ФНЧ должна выбираться из условия формирования ответного сигнала по дальности. Длительность ответного сигнала принципиально равна

где _зс - длительность запросного сигнала; _пр - длительность приемного интервала работы СПП; _и - длительность радиоимпульсов СПП.

Поэтому полоса ФНЧ должна выбираться из условия F 1/ _отв.

В конечном счете, при появлении на входе приемного устройства синхронизированных по фазе радиоимпульсов ответного сигнала СПП (при постоянном значении наклонной дальности R_н) выходной сигнал ФД устанавливается на некотором определенном уровне U _oc в течение действия (длительности _зс) запросного радиоимпульса (см. фиг.6), пропорциональном разности фаз опорного сигнала и принятых радиоимпульсов. Необходимо подчеркнуть, что ширина линии уровня ответного сигнала U_oc определяется среднеквадратичным значением плотности распределения фазы во время действия запросного сигнала (см. фиг.3), другими словами - уровнем мощности запросного сигнала Р _зс.

На фиг.6 условно принято, что время задержки запросного и ответного сигналов при их распространении до радиозонда и обратно равно нулю (R_н=0). При изменении наклонной дальности R_н уровень ответного сигнала U_oc будет смещаться параллельно оси абсцисс с частотой Допплера F_Д во всем диапазоне от -U_max до +U _max. Для улучшения условий наблюдения и снижения влияния фазового шума несинхронизированных радиоимпульсов СПП ответный сигнал далее выделяется с помощью стробов, вырабатываемых в системе измерения наклонной дальности. Длительность стробов выбирается равной длительности ответного сигнала СПП.

Следует отметить, что обычно значение (суперирующей) частоты повторения радиоимпульсов СПП F_c в десятки раз превышает частоту повторения запросных радиоимпульсов F_п. Кроме того, моменты прихода запросных радиоимпульсов РЛС на вход СПП и запуска радиоимпульсов СПП не коррелированы, случайны. Поэтому на фиг.6, фиг.7 осциллограмма выходных видеоимпульсов ФД, синхронизированная с моментом запуска передатчика запросного сигнала и приходом ответного сигнала и не синхронизированная с моментом запуска радиоимпульсов СПП, воспринимается в виде огибающей с непрерывным заполнением (затемненная часть на фиг.6, 7).

Положение ответного сигнала U_oc на оси времени смещается пропорционально наклонной дальности, которая определяется по времени задержки ответного сигнала относительно момента излучения запросного радиоимпульса t_р , см. фиг.7. Когерентные запросные радиоимпульсы U _c(t) подаются с периодом повторения T_п . Таким образом выделение из общего потока видеоимпульсов ответного сигнала СПП, измерение времени задержки t_p позволяет определить дальность до радиозонда. В целом, работа следящей системы блока измерения наклонной дальности сводится к смещению строба в пределах периода повторения запросных радиоимпульсов, выделяющего из всего излучения радиозонда ответный сигнал. При отсутствии сигнала спектр в течение стробирующего импульса имеет флуктуационный характер. Признаком появления ответного сигнала является изменение спектра сигнала U^* _ФД в интервале стробирования. Другими словами, при появлении ответного сигнала в стробе он приобретает регулярный характер, связанный с наличием допплеровской частоты.

Из всего сказанного следует, что принципиальное отличие предложенного способа измерения дальности от классического аналога, принятого в когерентно-импульсных РЛС, заключается в том, что обнаружение и обработка ответных когерентных радиоимпульсов происходит на фоне несинхронизированных радиоимпульсов, а несущая частота f_спп вследствие нестабильности СВЧ-автогенератора СПП может существенно отличаться от частоты запросного (зондирующего) сигнала f _зс в сравнении с допплеровским сдвигом частоты. В классических когерентно-импульсных РЛС принимается собственный отраженный сигнал, который может смещаться по частоте только из-за эффекта Допплера. Поэтому для обеспечения работоспособности радиосистемы по предлагаемому способу в условиях эксплуатации необходимо принимать меры для осуществления автоматической настройки частоты передатчика и приемного устройства РЛС на частоту излучения СПИ, а также реализовать сравнение фазы запросных и ответных радиоимпульсов с целью обнаружения и сопровождения ответного сигнала по дальности на фоне несинхронизированных радиоимпульсов.

Таким образом, предложенный способ синхронизации высокочастотной фазы радиоимпульсов СПП радиозонда когерентными запросными радиоимпульсами РЛС, выделение ответных радиоимпульсов из общего потока несинхронизированных радиоимпульсов СПП с помощью фазового детектора приемного устройства РЛС с целью измерения наклонной дальности до радиозонда отличается существенной новизной, позволяет значительно повысить характеристики системы радиозондирования, а именно:

- практически значение чувствительности СПП на уровне - 110-115 дБ/Вт позволяет снизить импульсную мощность передатчика запросного сигнала РЛС до 50-100 Вт (средняя мощность не более 0.1 Вт при скважности запросных радиоимпульсов порядка 1000), что существенно повышает скрытность работы системы радиозондирования, приближая ее к скрытности пеленгационной системы, но обеспечивает значительное превосходство над последней по точности измерения дальности, высоты, скорости и направления ветра. Предлагаемый способ позволяет при размере апертуры антенной системы 1,4 метра (усиление порядка 26 дБ) обеспечить максимальную дальность действия радиолокационной системы не менее 200 км.

- предложенный способ позволяет измерять с высокой точностью мгновенную скорость ветра, используя эффект Допплера.

- При постановке активной непрерывной помехи СПП радиозонда помехоустойчивость радиоканала измерения дальности по фазовому методу выделения ответного сигнала выше помехоустойчивости радиоканала, работающего по принципу ответной реакции СПИ - «ответной паузе», на 10-15 дБ.

- Устойчивость и стабильность работы СПП в режиме фазовой синхронизации значительно выше, чем в режиме работы с вторичной реакцией. Настройка СПП в условиях производства значительно упрощается и сводится к настройке рабочей частоты.

- При этом снижается уровень амплитудных шумов СПП, длительность радиоимпульсов может быть увеличена до оптимального значения _и=0.5 _с, что уменьшает ширину спектра в 1.5-2.0 раза, кпд приемопередатчика увеличивается до 0.35-0.45. Все эти меры повышают потенциал радиоканала на 2-4 дБ.

Таким образом, предложенный способ позволяет существенно повысить технико-экономические характеристики системы радиозондирования, гарантированно обеспечить ее конкурентоспособность на мировом рынке современных метеорологических радиотелеметрических систем.