[go: up one dir, main page]

RU2038612C1 - Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background - Google Patents

Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background Download PDF

Info

Publication number
RU2038612C1
RU2038612C1 SU5043483A RU2038612C1 RU 2038612 C1 RU2038612 C1 RU 2038612C1 SU 5043483 A SU5043483 A SU 5043483A RU 2038612 C1 RU2038612 C1 RU 2038612C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
low
antenna
earth
antenna system
altitude
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Анатольевич Жуков
Валентин Борисович Бахвалов
Петр Васильевич Овсянников
Дмитрий Геннадиевич Белогуров
Олег Николаевич Хомяков
Original Assignee
Валентин Борисович Бахвалов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валентин Борисович Бахвалов filed Critical Валентин Борисович Бахвалов
Priority to SU5043483 priority Critical patent/RU2038612C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2038612C1 publication Critical patent/RU2038612C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radar for locating low-altitude and low-speed targets. SUBSTANCE: range finder has transmitter 1, transmit-receive switch 2, antenna array of two radiating elements 3 and 4, subtracter 5, receiver 6, controlled phase shifter 7, indicator 8, and synchronizer 9. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, в частности к основам построения и конструкции маловысотных РЛС, и может быть использовано в РЛС для подавления обратных помеховых отражений зондирующих сигналов от земной поверхности. The invention relates to radar, in particular, to the fundamentals of the construction and construction of low-altitude radars, and can be used in radars to suppress reverse interference reflections of sounding signals from the earth's surface.

Известны способ и устройство подавления пассивных помех в допплеровском радиолокаторе, содержащее передатчик и приемник эхо-сигналов [1] Из принятых сигналов формируются сигналы, включающие допплеровские частотные компоненты, которые подаются на устройство обработки сигналов, содержащее допплеровский процессор. Этот процессор осуществляет избирательную частотную фильтрацию сигналов. В допплеровском процессоре формируется по крайней мере один отфильтрованный сигнал, который сравнивается с принятым сигналом в устройстве амплитудного сравнения. В результате сравнения последнее устройство вырабатывает выходные сигналы первого или второго уровня. Сигнал первого уровня вырабатывается в тех случаях, когда отношение интенсивностей сравниваемых сигналов лежит в пределах заданного диапазона величин. Сигнал второго уровня вырабатывается когда указанное соотношение лежит вне заданного диапазона. Выходной сигнал с устройством амплитудного сравнения подается на стробирующее устройство, через которое избирательно пропускается выходной сигнал радиолокатора с подавленными отражениями от пассивных помех. Сигнал проходит через стробирующее устройство только в том случае, когда отношение прошедшего через фильтр сигнала к приятому сигналу превышает заданный уровень. A known method and device for suppressing passive interference in a Doppler radar containing a transmitter and a receiver of echo signals [1] From the received signals are generated signals including Doppler frequency components, which are supplied to a signal processing device containing a Doppler processor. This processor performs selective frequency filtering of signals. At least one filtered signal is generated in the Doppler processor, which is compared with the received signal in the amplitude comparison device. As a result of the comparison, the last device generates output signals of the first or second level. The signal of the first level is generated in those cases when the ratio of the intensities of the compared signals lies within a given range of values. The second level signal is generated when the specified ratio is outside the specified range. The output signal with the amplitude comparison device is supplied to a gating device through which the radar output signal with suppressed reflections from passive interference is selectively passed. The signal passes through the gating device only if the ratio of the signal passed through the filter to the pleasant signal exceeds a predetermined level.

Однако такое устройство не может обнаруживать маловысотные малоскоростные и неподвижные воздушные цели на фоне обратных помеховых отражений, зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Эхо-сигналы таких целей почти не имеют допплеровского смещения частоты и не будут селектированы допплеровским процессором этого устройства. В результате эхо-сигнал цели не пройдет через стробирующее устройство и цель не будет обнаружена. However, such a device cannot detect low-altitude low-speed and motionless air targets against the background of reverse interference reflections, probe signals of the transmitter from the earth's surface. The echo signals of such targets have almost no Doppler frequency shift and will not be selected by the Doppler processor of this device. As a result, the target echo will not pass through the gating device and the target will not be detected.

Известна также когерентно-импульсная система селекции движущихся целей (СДЦ) [2] В этой системе в качестве опорных колебаний, с которыми сравниваются принимаемые эхо-сигналы, используются колебания специального так называемого когерентного гетеродина. Эти колебания жестко синхронизированы по фазе с колебаниями передатчика. Фазирование когерентного гетеродина производится на промежуточной частоте. Also known is the coherent-pulse system for moving target selection (SDC) [2]. In this system, the oscillations of a special so-called coherent local oscillator are used as reference oscillations with which echo signals are compared. These oscillations are tightly phase locked to the oscillations of the transmitter. Phasing of a coherent local oscillator is carried out at an intermediate frequency.

Импульсы высокочастотной энергии передатчика излучаются антенной в пространство. Колебания передатчика, преобразованные при помощи напряжения местного гетеродина в импульсы промежуточной частоты (фазирующие импульсы), подаются также на когерентный гетеродин для его фазирования. При фазировании частота и фаза колебаний когерентного гетеродина равна частоте и фазе колебаний фазирующего импульса. Таким путем обеспечивается когерентность колебаний передатчика и когерентного гетеродина. The pulses of the high-frequency energy of the transmitter are emitted by the antenna into space. Oscillations of the transmitter, converted by means of the local oscillator voltage into pulses of intermediate frequency (phasing pulses), are also transmitted to the coherent local oscillator for its phasing. During phasing, the frequency and phase of oscillations of a coherent local oscillator is equal to the frequency and phase of oscillations of the phasing pulse. In this way, coherence of the oscillations of the transmitter and the coherent local oscillator is ensured.

Сфазированное напряжение когерентного гетеродина подается на фазовый детектор, на который подается также и принимаемый эхо-сигнал, проеобразованный при помощи того же местного гетеродина в сигнал промежуточной частоты. The phased voltage of the coherent local oscillator is supplied to a phase detector, which also receives the received echo signal, converted by the same local oscillator into an intermediate frequency signal.

Для эхо-сигналов от неподвижных объектов видеосигналы на выходе фазового детектора имеют постоянную амплитуду от периода к периоду импульсов, а для эхо-сигналов от движущейся цели на выходе фазового детектора появятся видеоимпульсы, амплитуда которых от периода к периоду изменяется по косинусоидальному закону с частотой Допплера. For echo signals from stationary objects, the video signals at the output of the phase detector have a constant amplitude from period to period of pulses, and for echo signals from a moving target at the output of the phase detector, video pulses appear, the amplitude of which varies from period to period in a cosine law with a Doppler frequency.

После фазового детектора сигналы подаются в компенсирующее устройство. В последнем осуществляется череспериодное вычитание видеосигналов с выхода фазового детектора, причем видеосигналы с неизменной амплитудой подавляются, а импульсы, амплитуда которых изменяется от периода к периоду, выделяются. Таким образом, для сигналов от неподвижных объектов (земной поверхности, облако и т.п.) сигнал на выходе компенсирующего устройства равен нулю, а для сигналов от движущейся цели отличен от нуля. After the phase detector, the signals are supplied to the compensating device. In the latter, the periodical subtraction of the video signals from the output of the phase detector is carried out, moreover, video signals with a constant amplitude are suppressed, and pulses whose amplitude varies from period to period are emitted. Thus, for signals from stationary objects (earth's surface, cloud, etc.), the signal at the output of the compensating device is zero, and for signals from a moving target it is non-zero.

Недостатком такой когерентно-импульсной РЛС является то, что она не может обнаруживать малоскоростные и неподвижные воздушные цели на фоне обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности. Эхо-сигналы таких целей почти не имеют допплеровского смещения частоты и будут подавлены описанной выше системой СДЦ так же, как и пассивные помехи. The disadvantage of such a coherent-pulsed radar is that it cannot detect low-speed and stationary air targets against the background of reverse interference reflections of the probe signals of the transmitter from the earth's surface. The echo signals of such targets have almost no Doppler frequency shift and will be suppressed by the SDC system described above in the same way as passive interference.

Наиболее близкой к изобретению является радиолокационная система обнаружения низколетящих целей [3] В этой системе маловысотные цели обнаруживаются с помощью радиолокационного приемопередатчика, антенна которого излучает энергию сантиметрового диапазона в течение интервала передачи приема. Принимаемая высокочастотная энергия в течение интервала приема разделяется на две раздельно распространяющиеся компоненты. Это разделение осуществляется с помощью двух разнесенных по вертикали излучателей, образующих часть антенны приемопередатчика. Между антенной и приемником высокочастотная энергия распространяется по двум параллельным ветвям, которые затем объединяются в суммарном и разностном каналах, образуя суммарную и разностную компоненты принимаемого сигнала. Для обнаружения маловысотных целей выбирается тот канал, в котором имеется более интенсивный сигнал. При этом разностный канал образуется с помощью высокочастотного устройства вычитания, на вход которого поступают сигналы, принимаемые нижним и верхним излучающими элементами антенной системы, а суммарный канал с помощью высокочастотного сумматора. Для переключения антенны с передачи на прием использован антенный переключатель, а для выбора лучшего приемного канала использовано вычислительное устройство и переключатель каналов со своим устройством управления. Closest to the invention is a radar system for detecting low-flying targets [3] In this system, low-altitude targets are detected using a radar transceiver, the antenna of which emits centimeter-wave energy during the transmission transmission interval. The received high-frequency energy during the reception interval is divided into two separately distributed components. This separation is carried out using two vertically spaced emitters forming part of the antenna of the transceiver. Between the antenna and the receiver, high-frequency energy is distributed along two parallel branches, which are then combined in the total and difference channels, forming the total and difference components of the received signal. To detect low-altitude targets, the channel in which there is a more intense signal is selected. In this case, the difference channel is formed using a high-frequency subtraction device, the input of which receives signals received by the lower and upper radiating elements of the antenna system, and the total channel using a high-frequency adder. An antenna switch was used to switch the antenna from transmission to reception, and a computing device and a channel switch with its control device were used to select the best receiving channel.

Однако данная радиолокационная система не может обнаруживать цели на фоне обратных помеховых отражений зондирующих сигналов от земной поверхности. При нахождении цели в области таких помеховых отражений уровень пассивной помехи от земли зачастую значительно превышает уровень эхо-сигнала цели. В этом случае уровень помехи в суммарном канале обычно будет выше, чем в разностном канале. При этом, вычислительное устройство прототипа будет чаще выбирать суммарный приемный канал, ориентируясь на более высокий уровень помехи. В результате эхо-сигнал цели будет потерян в пассивных помехах, обнаружение цели и измерение ее дальности в области помеховых отражений от земли становится невозможным. However, this radar system cannot detect targets against the background of reverse interference reflections of probing signals from the earth's surface. When a target is found in the field of such interfering reflections, the level of passive interference from the ground is often significantly higher than the target echo level. In this case, the interference level in the sum channel will usually be higher than in the difference channel. In this case, the computing device of the prototype will often choose the total receiving channel, focusing on a higher level of interference. As a result, the echo of the target will be lost in passive interference, it becomes impossible to detect the target and measure its distance in the field of interference reflections from the ground.

Задачей изобретения является подавление обратных помеховых отражений зондирующих сигналов передатчика от земной поверхности и улучшение тем самым возможности обнаружения маловысотных малоскоростных и неподвижных воздушных целей в области этих отражений. The objective of the invention is the suppression of reverse interference reflections of the probe signals of the transmitter from the earth's surface and thereby improving the ability to detect low-altitude low-speed and stationary air targets in the field of these reflections.

Для этого в дальномере для обнаружения маловысотных малоскоростных целей, содержащем импульсный передатчик, приемник, антенный переключатель, антенную систему из двух разнесенных по высоте одинаковых излучающих элементов и высокоскоростное устройство вычитания, вычитающее эхо-сигналы, принимаемые нижним и верхним элементами антенной системы, между нижним элементом антенной системы и устройством вычитания включен управляемый фазовращатель, периодически изменяющий фазу принимаемых сигналов синхронно с зондирующими импульсами передатчика обратно пропорционально времени запаздывания эхо-сигналов над ровной подстилающей поверхностью или по закону
Δφ (t)

Figure 00000002
Zo+h
Figure 00000003
+Z
Figure 00000004
Z
Figure 00000005
-2Zo-2h
Figure 00000006
+
Figure 00000007
1+
Figure 00000008
×
×
Figure 00000009
1+
Figure 00000010
1-
Figure 00000011
1-
Figure 00000012
1-
Figure 00000013
-
Figure 00000014
(Zo+hв)2+Z
Figure 00000015
Z
Figure 00000016
-2Zo-2h
Figure 00000017
+
Figure 00000018
1+
Figure 00000019
×
×
Figure 00000020
1+
Figure 00000021
1-
Figure 00000022
1-
Figure 00000023
1-
Figure 00000024
(1) на трассе со сложным рельефом местности, где Δφ(t) сдвиг фаз, на который фазовращатель изменяет фазу принимаемого сигнала;
t время запаздывания;
λ- длина волны;
с скорость света;
hн, hв высоты над землей нижнего и верхнего элементов антенны;
аэ эквивалентный радиус Земли;
Zо- высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
Z( Z
Figure 00000025
) -высотный профиль рельефа местности на трассе между дальномером и целью.To do this, in the range finder for detecting low-altitude low-speed targets, containing a pulse transmitter, a receiver, an antenna switch, an antenna system of two identical emitting elements spaced in height and a high-speed subtraction device that subtracts the echo signals received by the lower and upper elements of the antenna system between the lower element the antenna system and the subtraction device included controlled phase shifter, periodically changing the phase of the received signals synchronously with the probing pulses of Occupancy is inversely proportional to the delay time of echoes of a flat underlying surface or legally
Δφ (t)
Figure 00000002
Z o + h
Figure 00000003
+ Z
Figure 00000004
Z
Figure 00000005
-2Z o -2h
Figure 00000006
+
Figure 00000007
1+
Figure 00000008
×
×
Figure 00000009
1+
Figure 00000010
1-
Figure 00000011
1-
Figure 00000012
1-
Figure 00000013
-
Figure 00000014
(Z o + h in ) 2 + Z
Figure 00000015
Z
Figure 00000016
-2Z o -2h
Figure 00000017
+
Figure 00000018
1+
Figure 00000019
×
×
Figure 00000020
1+
Figure 00000021
1-
Figure 00000022
1-
Figure 00000023
1-
Figure 00000024
(1) on a track with a complex terrain, where Δφ (t) is the phase shift by which the phase shifter changes the phase of the received signal;
t lag time;
λ is the wavelength;
with the speed of light;
h n , h in height above ground of the lower and upper antenna elements;
and e is the equivalent radius of the Earth;
Z about - the height above sea level of the location of the rangefinder;
Z (Z
Figure 00000025
) is the elevation profile of the terrain on the highway between the range finder and the target.

При этом в качестве передающей антенны использован только верхний излучающий элемент антенной системы, переключаемый с передачи на прием с помощью антенного переключателя, и из состава устройства-прототипа исключены суммарный канал с сумматором, переключатель суммарного и разностного каналов со своим устройством управления и вычислительное устройство, выбирающее лучший канал. In this case, only the upper radiating element of the antenna system is used as the transmitting antenna, which is switched from transmission to reception using the antenna switch, and the total channel with the adder, the switch of the total and difference channels with its control device and a computing device are selected from the prototype device best channel.

Техническая сущность и принцип действия предложенного. The technical nature and principle of action proposed.

На фиг. 1, 2 представлены упрощенная структурная схема предлагаемого дальномера для обнаружения маловысотных малоскоростных целей на фоне помеховых отражений от земли и принцип его действия соответственно; на фиг. 3 зависимость фазы фазовращателя от времени запаздывания; на фиг. 4 нормированные зоны видимости в вертикальной плоскости для прототипа над ровной подстилающей поверхностью (пунктирная кривая), для предложенного устройства над сложным горным рельефом (штриховая кривая) и для предложенного устройства над ровной землей. In FIG. 1, 2 presents a simplified structural diagram of the proposed range finder for detecting low-altitude low-speed targets against a background of interfering reflections from the ground and the principle of its operation, respectively; in FIG. 3 dependence of the phase shifter phase on the delay time; in FIG. 4 normalized visibility zones in the vertical plane for the prototype over a flat underlying surface (dashed curve), for the proposed device over complex mountainous terrain (dashed curve) and for the proposed device over flat ground.

Дальномер состоит из импульсного передатчика 1, связанного через антенный переключатель 2 "прием-передача" с верхним приемопередающим излучающим элементом 3 антенной системы, нижний элемент 4 которой использован только для приема сигналов. Сигналы, принимаемые верхним и нижним элементами антенной системы, вычитаются в высокочастотном устройстве 5 вычитания и поступают на приемник 6 и далее в индикатор 8 для измерения дальности цели. Между нижним элементом 4 антенной системы и устройством 5 вычитания включен управляемый с помощью синхронизатора 9 фазовращатель 7, периодически изменяющий (задерживающий) фазу сигналов, принимаемых этим элементом по указанному выше закону. The range finder consists of a pulse transmitter 1 connected through an antenna switch 2 "transmit-receive" with the upper transceiving radiating element 3 of the antenna system, the lower element 4 of which is used only for receiving signals. The signals received by the upper and lower elements of the antenna system are subtracted in the high-frequency subtraction device 5 and fed to the receiver 6 and then to the indicator 8 for measuring the target range. Between the lower element 4 of the antenna system and the subtraction device 5, a phase shifter 7 controlled by a synchronizer 9 is included, periodically changing (delaying) the phase of the signals received by this element according to the above law.

Принцип действия предложенного устройства поясняется следующим. Эхо-сигналы маловысотной цели приходят к элементам приемной антенной системы дальномера двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земной поверхности. Пассивные помехи, представляющие собой результат обратного рассеяния энергии зондирующих импульсов передатчика на элементах земной поверхности, приходят к антенне дальномера в основном с отрицательных углов места только прямой волной. Это схематически показано на фиг. 2, где изображены нижний и верхний элементы антенной системы дальномера, маловысотная цель, высотный профиль рельефа местности Z(D) на трассе между антенной и целью и лучи радиоволн эхо-сигналов цели и обратных помеховых отражений от текущей ячейки разрешения с τ/2 (с скорость света, τ- длительность зондирующего импульса) на земной поверхности. Когда цель находится в области помеховых отражений от земли, эхо-сигналы цели и помеховые отражения от соответствующей ячейки разрешения приходят к антенне дальномера одновременно, это затрудняет обнаружение цели, эхо-сигнал которой теряется в этих помеховых отражениях. The principle of operation of the proposed device is illustrated as follows. Echoes of a low-altitude target come to the elements of the receiving antenna system of the rangefinder in two ways: a direct wave and a wave reflected from the earth's surface. Passive interference, which is the result of backscattering of the energy of the probe pulses of the transmitter on the elements of the earth's surface, comes to the rangefinder antenna mainly from negative elevation angles only by a direct wave. This is schematically shown in FIG. 2, which shows the lower and upper elements of the antenna system of the rangefinder, a low-altitude target, the elevation profile of the terrain Z (D) on the path between the antenna and the target, and the rays of the radio waves of the target echoes and reverse interference reflections from the current resolution cell with τ / 2 (s the speed of light, τ is the duration of the probe pulse) on the earth's surface. When the target is in the area of interfering reflections from the ground, the target echoes and interfering reflections from the corresponding resolution cell arrive at the range finder antenna at the same time, this makes it difficult to detect the target whose echo is lost in these interfering reflections.

Фаза помеховых отражений в верхнем элементе приемной антенной системы обычно отстает от фазы этих отражений в нижнем элементе антенны, так как расстояние rв от текущей ячейки разрешения на земной поверхности до верхнего элемента антенны больше, чем соответствующее расстояние rндо нижнего элемента антенны (фиг. 2). Если задержать фазу помеховых отражений с нижнего элемента антенны на величину
Δφ

Figure 00000026
(rв-rн) (2) с помощью управляемого фазовращателя и вычесть помеховые отражения с верхнего и нижнего элементов антенны с помощью высокочастотного устройства вычитания, то на выходе этого устройства помеховые отражения от земли будут почти полностью подавлены. При этом полагается, что верхний и нижний элементы антенны одинаковы, направлены горизонтально и имеют симметричные диаграммы направленности вертикальной плоскости в свободном пространстве. Это обеспечивает примерное равенство амплитуд помеховых отражений от земли, принимаемых этими элементами.The phase of interfering reflections in the upper element of the receiving antenna system usually lags behind the phase of these reflections in the lower antenna element, since the distance r in from the current resolution cell on the earth's surface to the upper antenna element is greater than the corresponding distance r n to the lower antenna element (Fig. 2). If you delay the phase of interference reflections from the lower element of the antenna by
Δφ
Figure 00000026
(r to -r n ) (2) using a controlled phase shifter and subtract interference reflections from the upper and lower antenna elements using a high-frequency subtraction device, then at the output of this device, interference reflections from the ground will be almost completely suppressed. It is assumed that the upper and lower elements of the antenna are the same, directed horizontally and have symmetrical radiation patterns of the vertical plane in free space. This provides an approximate equality of the amplitudes of the interfering reflections from the earth received by these elements.

Эхо-сигналы маловысотной малоскоростной цели на выходе устройства 5 вычитания, в отличие от помеховых отражений, не будут полностью подавлены и зачастую их уровень будет выше, чем в каком-либо одном из элементов антенны. Это объясняется следующим. Эхо-сигналы маловысотной цели приходят к нижнему или верхнему элементу антенны двумя путями: прямой волной и волной, отраженной от земли. При этом комплексная амплитуда напряжения эхо-сигнала цели на выходе какого-либо приемного элемента антенны (верхнего или нижнего) определяется известной формулой

Figure 00000027
λ
Figure 00000028
Fэ(θ)e
Figure 00000029
e
Figure 00000030
+
Figure 00000031
e
Figure 00000032
, (3) где λ- длина волны;
Gm коэффициент усиления элемента антенны;
Rвх входное сопротивление фидерного тракта;
S плотность мощности прямой радиоволны от цели вблизи антенны;
Fэ(θ) нормированная диаграмма направленности элемента антенны в вертикальной плоскости в свободном пространстве;
θ- угол места цели;
φ- фаза радиоволны, приходящей от цели в точку расположения антенны на поверхности земли;
К 2 π/λ- волновое число;
hа высота элемента антенны над землей (ha hн для нижнего элемента и ha hв для верхнего элемента);
Figure 00000033
комплексный коэффициент отражения радиоволн от земной поверхности при вертикальной или горизонтальной поляризации.The echo signals of a low-speed low-speed target at the output of the subtraction device 5, in contrast to interfering reflections, will not be completely suppressed and often their level will be higher than in any one of the antenna elements. This is explained by the following. Echoes of a low-altitude target come to the lower or upper element of the antenna in two ways: a direct wave and a wave reflected from the ground. In this case, the complex amplitude of the target echo voltage at the output of any receiving element of the antenna (upper or lower) is determined by the well-known formula
Figure 00000027
λ
Figure 00000028
F e (θ) e
Figure 00000029
e
Figure 00000030
+
Figure 00000031
e
Figure 00000032
, (3) where λ is the wavelength;
G m the gain of the antenna element;
R I input resistance of the feeder path;
S is the power density of the direct radio wave from the target near the antenna;
F e (θ) normalized pattern of the antenna element in the vertical plane in free space;
θ is the elevation angle of the target;
φ is the phase of the radio wave coming from the target to the antenna location point on the earth's surface;
K 2 π / λ is the wave number;
h a is the height of the antenna element above the ground (h a h n for the lower element and h a h in for the upper element);
Figure 00000033
complex coefficient of reflection of radio waves from the earth's surface with vertical or horizontal polarization.

Известно, что при малых углах скольжения комплексный коэффициент отражения от земли

Figure 00000034
-1 при любой поляризации радиоволн. Учитывая это, можно представить формулу (3) для комплексной амплитуды напряжения на выходе приемного элемента антенны в следующем виде
Figure 00000035
Figure 00000036
Fэ(θ)e
Figure 00000037
Figure 00000038
sin(khasinθ) (4)
Из этой формулы видно, что напряжения эхо-сигналов маловысотной цели на выходах нижнего и верхнего элементов антенны находятся либо в фазе, либо в противофазе и не могут иметь какого-либо иного сдвига фаз. Кроме того, эти напряжения (в отличие от соответствующих напряжений помеховых отражений) обычно отличаются друг от друга по амплитуде. Из этого следует, что сдвиг фазы напряжения эхо-сигнала цели с нижнего элемента антенны в управляемом фазовращателе отличается на Δφ(формула (2)) и последующее вычитание напряжений эхо-сигнала с верхнего элемента антенны и с выхода фазовращателя обычно не приводит к полному подавлению эхо-сигнала цели на выходе устройства вычитания.It is known that at small slip angles the complex reflection coefficient from the ground
Figure 00000034
-1 for any polarization of radio waves. Given this, we can present formula (3) for the complex amplitude of the voltage at the output of the receiving element of the antenna in the following form
Figure 00000035
Figure 00000036
F e (θ) e
Figure 00000037
Figure 00000038
sin (kh a sinθ) (4)
This formula shows that the voltage of the echo signals of the low-altitude target at the outputs of the lower and upper elements of the antenna are either in phase or out of phase and cannot have any other phase shift. In addition, these voltages (in contrast to the corresponding voltages of interfering reflections) usually differ in amplitude. It follows that the phase shift of the voltage of the target echo signal from the lower antenna element in the controlled phase shifter differs by Δφ (formula (2)) and the subsequent subtraction of the echo voltage from the upper antenna element and from the output of the phase shifter usually does not completely echo - the signal of the target at the output of the subtraction device.

Таким образом, на выходе устройства вычитания эхо-сигнал маловысотной цели будет выделен, а обратные помеховые отражения от земной поверхности будут почти полностью подавлены. При этом эхо-сигнал цели может не иметь заметного допплеровского сдвига частоты, т.е. предлагаемое устройство сможет эффективно обнаруживать малоскоростные маловысотные воздушные цели на фоне интенсивных помеховых отражений от земной поверхности. Thus, at the output of the subtraction device, the echo signal of the low-altitude target will be highlighted, and the back interference reflections from the earth's surface will be almost completely suppressed. In this case, the target echo may not have a noticeable Doppler frequency shift, i.e. the proposed device will be able to effectively detect low-speed low-altitude air targets against the background of intense interference reflections from the earth's surface.

Сдвиг фаз Δφ, который должен обеспечивать управляемый фазовращатель 7 для обеспечения последующего подавления помеховых отражений от земли, определяется формулой (2) (со знаком минус) и зависит от времени запаздывания t, так как с течением времени отражающая радиоволны ячейка разрешения сτ/2 на поверхности земли перемещается вдоль трассы и соответственно изменяются расстояния rв, rн от этой ячейки до верхнего и нижнего элементов приемной антенны дальномера. Используя геометрию рисунка (фиг. 2) и теорему косинусов, можно представить зависимость сдвига фаз Δφ(t), фазовращателя 7 от времени запаздывания t, т.е. формулу (2), в последующем виде
Δφ(t)

Figure 00000039
Figure 00000040

Figure 00000041
, (5) где D горизонтальная дальность от дальномера до текущей ячейки разрешения по поверхности земли, изменяющаяся с течением времени запаздывания t по формуле
D
Figure 00000042
, (6) где с скорость света;
λ- длина волны;
hн, hв высоты над землей нижнего и верхнего элементов антенной системы;
аэ эквивалентный радиус земли;
Zо -высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
Z(D) высотный рельеф местности на трассе между дальномером и целью.The phase shift Δφ, which must be controlled by a phase shifter 7 to ensure subsequent suppression of interference reflections from the ground, is determined by formula (2) (with a minus sign) and depends on the delay time t, since over time the radio-frequency reflection cell cτ / 2 on the surface the earth moves along the route and accordingly the distances r in , r n from this cell to the upper and lower elements of the receiving antenna of the range finder change. Using the geometry of the figure (Fig. 2) and the cosine theorem, we can imagine the dependence of the phase shift Δφ (t), phase shifter 7 on the delay time t, i.e. formula (2), in the following form
Δφ (t)
Figure 00000039
Figure 00000040

Figure 00000041
, (5) where D is the horizontal distance from the range finder to the current resolution cell over the earth’s surface, changing over time lag t according to the formula
D
Figure 00000042
, (6) where c is the speed of light;
λ is the wavelength;
h n , h in height above ground of the lower and upper elements of the antenna system;
and e is the equivalent radius of the earth;
Z about the height above sea level of the location of the rangefinder;
Z (D) high-altitude terrain on the highway between the range finder and the target.

Формула (5) не удобна для расчетов, так как в ней под радикалами имеются малые разности очень больших величин. Представляя косинус малого аргумента cos

Figure 00000043
степенным рядом и используя элементарные математические преобразования, можно представить формулу (5) в более удобном для расчетов виде (1).Formula (5) is not convenient for calculations, since in it under the radicals there are small differences of very large quantities. Representing the cosine of the small argument cos
Figure 00000043
power series and using elementary mathematical transformations, it is possible to represent formula (5) in a more convenient form for calculations (1).

Над ровной подстилающей поверхностью или над морем (Z(D) 0) формула (1) существенно упрощается:
Δφ(t)

Figure 00000044
Figure 00000045
-1
Figure 00000046
Figure 00000047
h 2 н -h
Figure 00000048
, (7) т.е. в этом случае фаза фазовращателя 7 должна изменяться в течение периода следования импульсов обратно пропорционально времени запаздывания.Over a flat underlying surface or over the sea (Z (D) 0), formula (1) is significantly simplified:
Δφ (t)
Figure 00000044
Figure 00000045
-1
Figure 00000046
Figure 00000047
h 2 n -h
Figure 00000048
, (7) i.e. in this case, the phase of the phase shifter 7 should change during the pulse repetition period in inverse proportion to the delay time.

Примеры расчетных зависимостей фазы Δφ(t) фазовращателя 7 от времени запаздывания t представлены на фиг. 3. Эти графики рассчитаны для частной реализации предложенного устройства (длина волны λ=0,35 м, высоты над землей излучателей антенны hн 15 м и hв 30 м) для ровной подстилающей поверхности (штриховая кривая) и для частного примера сложного горного рельефа местности на трассе между дальномером и целью. Эти примеры показывают, что необходимые для работы устройства фазовые характеристики фазовращателя могут быть реализованы с помощью известных конструкций управляемых фазовращателей.Examples of calculated dependences of the phase Δφ (t) of the phase shifter 7 on the delay time t are presented in FIG. 3. These graphs were calculated for a particular embodiment of the apparatus (wavelength λ = 0,35 m, the height above ground of the antenna radiators h n and h 15 m 30 m) for a flat underlying surface (dashed line) and for a particular example of a complex mountainous terrain terrain on the highway between the range finder and the target. These examples show that the phase characteristics of the phase shifter necessary for the operation of the device can be realized using known constructions of controlled phase shifters.

Перечисленные выше элементы структурной схемы предложенного устройства (фиг. 1) выполнены следующим образом. Нижний 4 и верхний 3 излучающие элементы антенной системы одинаковы, направлены горизонтально и имеют симметричные диаграммы направленности в вертикальной плоскости в свободном пространстве. В качестве этих элементов можно использовать, например, обычные рупорные или зеркальные антенны. Высоты подъема этих элементов над землей обязательно должны быть разные. Большой (по сравнению с длиной волны) разнос этих элементов по высоте не целесообразен, так как это увеличивает необходимый интервал изменения фазы управляемого фазовращателя 7. Кроме того, при большом разносе этих элементов по высоте в области помеховых отражений от земли появляются значительные по размерам участки, затененные для нижнего элемента и не затененные для верхнего. Помеховые отражения от таких участков, принимаемые только верхним элементом, не будут подавляться устройством 5 вычитания. Малый разнос по высоте излучающих элементов 3 и 4 также не целесообразен, так как при этом устройство будет сильно ослаблять эхо-сигналы маловысотных целей, поэтому для каждой конкретной позиции дальномера на сложной местности можно найти оптимальные высоты подъема нижнего hн и верхнего hв элементов над землей, при которых использование предложенного устройства в заданном ответственном секторе будет наиболее эффективным.The above elements of the structural diagram of the proposed device (Fig. 1) are made as follows. The lower 4 and upper 3 radiating elements of the antenna system are the same, directed horizontally and have symmetrical radiation patterns in a vertical plane in free space. As these elements, for example, conventional horn or mirror antennas can be used. The elevation heights of these elements above the ground must necessarily be different. A large (in comparison with the wavelength) height spacing of these elements is not advisable, since this increases the necessary interval of the phase change of the controlled phase shifter 7. In addition, with a large height spacing of these elements in the region of interfering reflections from the earth, areas of considerable size appear shaded for the bottom element and not shaded for the top. Interference reflections from such areas, received only by the upper element, will not be suppressed by the subtraction device 5. A small height difference of radiating elements 3 and 4 is also not advisable, since in this case the device will greatly weaken the echo signals of low-altitude targets, therefore, for each specific position of the range finder in difficult terrain, you can find the optimal lifting heights of the lower h n and upper h in the elements above land in which the use of the proposed device in a given responsible sector will be most effective.

Управляемый фазовращатель 7 может быть реализован, например, в виде ферритового фазовращателя, для подмагничивания которого следует использовать импульсы постоянного тока с крутым передним и медленно спадающим задним фронтом. Частота следования этих импульсов должна быть равна частоте следования зондирующих импульсов передатчика. The controlled phase shifter 7 can be implemented, for example, in the form of a ferrite phase shifter, for the magnetization of which DC pulses with a steep leading and slowly falling trailing edge should be used. The repetition rate of these pulses should be equal to the repetition rate of the probe pulses of the transmitter.

Другая реализация управляемого фазовращателя 7 возможна, например, в виде набора коротких отрезков полосковых линий, переключаемых p i n диодами. Для подключения таких линий следует использовать управляющие прямоугольные импульсы постоянного напряжения соответствующей длительности. При этом частота следования управляющих импульсов для p i n диодов также должна быть равна частоте следования зондирующих импульсов передатчика. Another implementation of the controlled phase shifter 7 is possible, for example, in the form of a set of short segments of strip lines switched by p i n diodes. To connect such lines, control rectangular pulses of constant voltage of appropriate duration should be used. In this case, the repetition rate of the control pulses for p i n diodes should also be equal to the repetition rate of the probe pulses of the transmitter.

Другие элементы предлагаемого устройства, показанные на фиг. 1, ничем не отличаются от соответствующих элементов прототипа. Other elements of the apparatus shown in FIG. 1, are no different from the corresponding elements of the prototype.

Дальномер работает следующим образом. The range finder works as follows.

Передатчик 1 формирует, а верхний элемент 3 антенной системы излучает зондирующий радиоимпульс в течение интервала передачи. В течение интервала приема элементы 3 и 4 антенной системы принимают эхо-сигналы цели и помеховые отражения от земной поверхности. Помеховые отражения от земли, принятые элементом 4 антенной системы, сравниваются по фазе с соответствующими помеховыми отражениями с верхнего элемента 3 с помощью управляемого фазовращателя 7 и поступают на высокочастотное устройство 5 вычитания. На это же устройство поступают через антенный переключатель 2 также помеховые напряжения (и эхо-сигналы цели), и принятые верхним элементом 3 антенной системы. На выходе устройства 5 вычитания помеховые отражения от земли почти полностью подавляются, а эхо-сигналы маловысотных целей выделяются и поступают далее в тракт приема и измерения дальности. The transmitter 1 generates, and the upper element 3 of the antenna system emits a sounding radio pulse during the transmission interval. During the reception interval, elements 3 and 4 of the antenna system receive target echoes and interference reflections from the earth's surface. Interference reflections from the ground, received by element 4 of the antenna system, are compared in phase with the corresponding interference reflections from the upper element 3 using a controlled phase shifter 7 and fed to the high-frequency subtraction device 5. Interference voltages (and target echoes) and received by the upper element 3 of the antenna system also come to the same device through the antenna switch 2. At the output of the subtraction device 5, interfering reflections from the ground are almost completely suppressed, and the echo signals of low-altitude targets are allocated and fed further to the receiving and measuring range.

Для сравнительной оценки возможностей прототипа и предложенного устройства по обнаружению маловысотных целей были рассчитаны зоны видимости дальномеров в вертикальной плоскости. Результаты расчетов представлены на фиг. 4, где построены нормированные зоны видимости в вертикальной плоскости (т.е. зависимость дальности обнаружения rm от угла места θ) для прототипа над ровной подстилающей поверхностью (пунктирная кривая), для предложенного устройства над сложным горным рельефом (штриховая кривая) и для предложенного устройства над ровной землей. Нормировка зон видимости проведена относительно максимальной дальности обнаружения rmo в свободном пространстве для дальномеров с приемопередающей антенной из одного излучающего элемента того же типа, что и в предложенном устройстве.For a comparative assessment of the capabilities of the prototype and the proposed device for the detection of low-altitude targets, the visibility ranges of rangefinders in the vertical plane were calculated. The calculation results are presented in FIG. 4, where normalized visibility zones in the vertical plane are constructed (i.e., the dependence of the detection range r m on the elevation angle θ) for the prototype over a flat underlying surface (dashed curve), for the proposed device over a complex mountainous terrain (dashed curve), and for the proposed devices above flat ground. The visibility zones were normalized with respect to the maximum detection range r mo in free space for rangefinders with a transceiver antenna from one radiating element of the same type as in the proposed device.

Как видно на фиг. 4, предложенное устройство вполне обеспечивает обнаружение маловысотных целей в секторе малых углов места. За пределами области помеховых отражений от земли возможности предложенного устройства не на много уступают прототипу. В области же помеховых отражений предложенное устройство значительно превосходит прототип и может обнаруживать маловысотные малоскоростные цели на фоне интенсивных помеховых отражений от земли, а прототип в этой области такие цели практически обнаруживать не может. As seen in FIG. 4, the proposed device is fully capable of detecting low-altitude targets in the sector of small elevation angles. Outside the field of interference reflections from the ground, the capabilities of the proposed device are not much inferior to the prototype. In the field of interfering reflections, the proposed device significantly exceeds the prototype and can detect low-altitude, low-speed targets against the background of intense interfering reflections from the ground, and the prototype in this area can hardly detect such targets.

Claims (1)

ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОВЫСОТНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ ПОМЕХОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ЗЕМЛИ, содержащий антенную систему из двух разнесенных по высоте одинаковых излучающих элементов, импульсный передатчик, соединенный с верхним излучающим элементом антенной системы через антенный переключатель, приемник, выход которого соединен с индикатором, синхронизатор, соединенный с передатчиком, приемником и индикатором, высокочастотное устройство вычитания, выход которого соединен с входом приемника, а вход с верхним излучающим элементом антенной системы через антенный переключатель, отличающийся тем, что между нижним элементом антенной системы и другим входом высокочастотного устройства вычитания включен соединенный с синхронизатором по входу управления управляемый фазовращатель, периодически изменяющий фазу принимаемых сигналов синхронно с зондирующими импульсами передатчика обратно пропорционально времени запаздывания эхо-сигналов над ровной подстилающей поверхностью или на трассе со сложным рельефом местности по закону
Figure 00000049

где Δφ(t) сдвиг фаз управляемого фазовращателя;
t время запаздывания;
λ длина волны;
c скорость света;
hн, hв высоты над Землей нижнего и верхнего элементов антенной системы;
aэ эквивалентный радиус Земли;
z0 высота над уровнем моря точки расположения дальномера;
Figure 00000050
высотный профиль рельефа местности на трассе между дальномером и целью.
RANGE FOR DETECTION OF LOW-SPEED SHORT-SPEED TARGETS ON THE BACKGROUND OF INTERFERENCE REFLECTIONS FROM THE EARTH, containing an antenna system of two identical emitting elements spaced apart in height, a pulse transmitter connected to the upper radiating element of the antenna system through an antenna switch, a receiver whose output is connected to the indicator with a transmitter, receiver and indicator, a high-frequency subtraction device, the output of which is connected to the input of the receiver, and the input to the upper radiating element ohm of the antenna system through the antenna switch, characterized in that between the lower element of the antenna system and the other input of the high-frequency subtraction device, a controlled phase shifter connected to the synchronizer at the control input is connected, periodically changing the phase of the received signals synchronously with the probe pulses of the transmitter in inverse proportion to the delay time of the echo signals above flat ground or on a track with a difficult terrain according to the law
Figure 00000049

where Δφ (t) is the phase shift of the controlled phase shifter;
t lag time;
λ wavelength;
c is the speed of light;
h n , h in height above the Earth of the lower and upper elements of the antenna system;
a e is the equivalent radius of the Earth;
z 0 the height above sea level of the location of the rangefinder;
Figure 00000050
elevation profile of the terrain on the highway between the range finder and the target.
SU5043483 1992-05-22 1992-05-22 Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background RU2038612C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5043483 RU2038612C1 (en) 1992-05-22 1992-05-22 Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5043483 RU2038612C1 (en) 1992-05-22 1992-05-22 Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2038612C1 true RU2038612C1 (en) 1995-06-27

Family

ID=21604889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5043483 RU2038612C1 (en) 1992-05-22 1992-05-22 Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2038612C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2298809C1 (en) * 2005-10-04 2007-05-10 Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" (ОАО "Корпорация "Фазотрон-НИИР") Arrangement for selection low-altitude low-velocity air targets and moving surface targets in a coherent radar station
RU2630686C1 (en) * 2016-11-29 2017-09-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method of measuring angle of location (height) of low-yellow objects under small angles of site in radiological circuits of reviews with presence of interfering reflections from substrate surface
RU2693048C1 (en) * 2018-04-24 2019-07-01 Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "Автономные информационные системы" (ООО "КБ "АИС") Radar targets on the background of underlying surface selection method
RU2697509C2 (en) * 2017-05-25 2019-08-15 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of detecting, measuring range and speed of low altitude low-speed target in pulse-doppler radar stations with high frequency of pulses repetition and inverted linear frequency modulation

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Патент США N 4459592, кл. G 01S 13/02, 1984. *
2. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред.В.В.Дружинина. М.: Воениздат, 1967. *
3. Патент США N 3906495, кл. G 01S 13/44, 1975. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2298809C1 (en) * 2005-10-04 2007-05-10 Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" (ОАО "Корпорация "Фазотрон-НИИР") Arrangement for selection low-altitude low-velocity air targets and moving surface targets in a coherent radar station
RU2298809C9 (en) * 2005-10-04 2007-09-27 Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" (ОАО "Корпорация "Фазотрон-НИИР") Arrangement for selection low-altitude low-velocity air targets and moving surface targets in a coherent radar station
RU2630686C1 (en) * 2016-11-29 2017-09-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method of measuring angle of location (height) of low-yellow objects under small angles of site in radiological circuits of reviews with presence of interfering reflections from substrate surface
RU2697509C2 (en) * 2017-05-25 2019-08-15 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of detecting, measuring range and speed of low altitude low-speed target in pulse-doppler radar stations with high frequency of pulses repetition and inverted linear frequency modulation
RU2693048C1 (en) * 2018-04-24 2019-07-01 Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "Автономные информационные системы" (ООО "КБ "АИС") Radar targets on the background of underlying surface selection method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5361072A (en) Gated FMCW DF radar and signal processing for range/doppler/angle determination
US8299958B2 (en) Airborne radar having a wide angular coverage, notably for the sense-and-avoid function
US20170045613A1 (en) 360-degree electronic scan radar for collision avoidance in unmanned aerial vehicles
EP2126605B1 (en) Radar system
US3924236A (en) Surveillance radar with synthetic array scan for improved angle determination
US4961075A (en) Two and one-half dimensional radar system
US20190383930A1 (en) Method and device for radar determination of the coordinates and speed of objects
RU146508U1 (en) SHORT-PULSE RADAR WITH ELECTRONIC SCANNING IN TWO PLANES AND WITH HIGH-PRECISE MEASUREMENT OF COORDINATES AND SPEED OF OBJECTS
AU7485591A (en) Computed-interferometry radar detection method with coherent integration
US5160932A (en) Over-the-horizon synthetic aperture radar
US3838424A (en) Microwave interference pattern sensor
Zainuddin et al. Maritime radar: a review on techniques for small vessels detection
US4023171A (en) Microwave velocity sensor using altimeter echo
RU2038612C1 (en) Range finder for locating low-altitude and low-speed targets in earth return background
RU2083996C1 (en) Method of selection of surface targets
RU2510685C2 (en) Synthetic-aperture and quasicontinuous radiation radar station
Bi Millimeter wave radar technology
RU2038613C1 (en) Device for measuring elevation angle of low-altitude and low-speed targets in earth return background
RU2151407C1 (en) Radar system
RU2195683C2 (en) Method determining direction on target
RU2029972C1 (en) Interrogator of active interrogation-response of radar system
Zhao et al. Using alpha-phase modulation method to solve range ambiguity for high frequency surface wave radar
RU2792971C1 (en) Digital radar signal processing method and high resolution obstacle detection radar
RU2040008C1 (en) Radar for locating low-altitude and low-speed targets on earth echo background
GB2104753A (en) Radars