RU2822284C1 - Method of pulse-doppler radar and device with autodyne transceiver for monitoring two zones of target selection by range - Google Patents
Method of pulse-doppler radar and device with autodyne transceiver for monitoring two zones of target selection by range Download PDFInfo
- Publication number
- RU2822284C1 RU2822284C1 RU2023124936A RU2023124936A RU2822284C1 RU 2822284 C1 RU2822284 C1 RU 2822284C1 RU 2023124936 A RU2023124936 A RU 2023124936A RU 2023124936 A RU2023124936 A RU 2023124936A RU 2822284 C1 RU2822284 C1 RU 2822284C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- pulses
- frequency
- generator
- pulse
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 70
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 26
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 19
- 101710096655 Probable acetoacetate decarboxylase 1 Proteins 0.000 claims description 13
- 101710096660 Probable acetoacetate decarboxylase 2 Proteins 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 10
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 28
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 108091022873 acetoacetate decarboxylase Proteins 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 206010020772 Hypertension Diseases 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к системам ближней радиолокации (СБРЛ), предназначенным для обнаружения и определения параметров движения целей, как минимум, в двух зонах селекции по дальности. Может использоваться в автономных информационно-измерительных системах в качестве неконтактных датчиков обнаружения приближающихся целей, например, в системах предотвращения столкновений транспортных средств.The invention relates to short-range radar systems (SLRS), designed to detect and determine the parameters of target movement in at least two range selection zones. Can be used in autonomous information measurement systems as non-contact sensors for detecting approaching targets, for example, in vehicle collision avoidance systems.
Решение задачи контроля наличия цели, как минимум, в двух зонах селекции по дальности востребовано, например, в системах управления сближением посадочного модуля к поверхности Земли или иных планет. При этом в процессе сближения необходимо на определенной высоте подать команду на раскрытие парашютной системы, а на другой, малой высоте, - команду на включение тормозных двигателей мягкой посадки (см. стр. 213, [1]). Аналогичная задача возникает в системах автоматического управления парашютными платформами для доставки грузов в труднодоступные районы [2]. Другой пример - система предотвращения столкновений на транспорте, которая должна обеспечивать подачу предупреждающего сигнала о наличии препятствия на дальнем рубеже зоны контроля (например, 100 м) и включение экстренного торможения при критическом сближении с препятствием на расстояние в единицы метров [3]. В системах обеспечения безопасности при парковке автомобиля также используется два режима работы локационного датчика с контролем расстояния до препятствия в диапазонах 0…6,0 и 0…1,4 м [4]. Подобная задача возникает в военной технике для обеспечения безопасного вождения в колонне при плохой видимости [5], а также самонаведения управляемых снарядов на воздушную цель и ее поражение [6].The solution to the problem of monitoring the presence of a target in at least two range selection zones is in demand, for example, in control systems for the approach of a landing module to the surface of the Earth or other planets. In this case, during the process of approaching, it is necessary to give a command at a certain altitude to open the parachute system, and at another, low altitude, a command to turn on the brake engines for a soft landing (see page 213, [1]). A similar problem arises in automatic control systems for parachute platforms for delivering cargo to hard-to-reach areas [2]. Another example is a collision avoidance system in transport, which should provide a warning signal about the presence of an obstacle at the far end of the control zone (for example, 100 m) and turn on emergency braking when critically approaching an obstacle at a distance of several meters [3]. Safety systems when parking a car also use two modes of operation of a location sensor with control of the distance to an obstacle in the ranges of 0...6.0 and 0...1.4 m [4]. A similar problem arises in military equipment to ensure safe driving in a convoy in poor visibility [5], as well as homing of guided projectiles at an air target and its destruction [6].
Традиционные методы решения указанной задачи основаны на применении отдельных радиолокационных устройств, предназначенных для выполнения одной из задач.Traditional methods for solving this problem are based on the use of separate radar devices designed to perform one of the tasks.
Известны устройства радиоимпульсной локации контролируемого пространства с определением дальности до цели путем измерения времени задержки отраженного от объекта радиоимпульса, заявленные, например, в [7-24]. Принцип действия этих устройств основан на разделении во времени процессов формирования зондирующего и приема отраженного радиосигналов (см. стр. 334-363, [25]). При этом прием отраженного радиосигнала производится на определенном отрезке времени после излучения зондирующего радиоимпульса, которому соответствует дальность обнаружения цели. Путем выбора множества отрезков времени можно формировать несколько зон селекции цели по дальности. Устройства содержат источники зондирующих радиоимпульсов, раздельные антенны для приема и передачи или антенные переключатели, приемники. Недостатками таких устройств являются наличие мертвой зоны в ближней зоне, а также сложность и громоздкость конструкции приемопередающего СВЧ модуля, создающие проблему при их бортовом исполнении, при котором экономичность, малые габариты, вес и стоимость комплектующих являются определяющими факторами.There are known devices for radio pulse location of a controlled space with determining the range to a target by measuring the delay time of a radio pulse reflected from an object, stated, for example, in [7-24]. The principle of operation of these devices is based on the separation in time of the processes of formation of probing and reception of reflected radio signals (see pp. 334-363, [25]). In this case, the reflected radio signal is received at a certain period of time after the emission of the probing radio pulse, which corresponds to the target detection range. By selecting multiple time periods, it is possible to form several target selection zones by range. The devices contain sources of probing radio pulses, separate antennas for reception and transmission or antenna switches, and receivers. The disadvantages of such devices are the presence of a dead zone in the near zone, as well as the complexity and bulkiness of the design of the microwave transceiver module, which creates a problem in their on-board design, in which efficiency, small dimensions, weight and cost of components are the determining factors.
Известны радиолокационные устройства, также работающие в режиме радиоимпульсного излучения [26-32]. Эти устройства выполнены на основе автогенератора в сверхрегенеративном режиме, который совмещает функции передатчика зондирующих радиоимпульсов и приемника радиосигналов, отраженных от цели. Благодаря такому совмещению сверхрегенеративные приемопередатчики обеспечивают простейшую конструкцию СВЧ модуля. Недостатком устройств на основе сверхрегенераторов является низкая точность определения относительной скорости движения цели из-за отсутствия доплеровской селекции сигналов, полученных от цели.There are known radar devices that also operate in the radio pulse mode [26-32]. These devices are made on the basis of a self-oscillator in a super-regenerative mode, which combines the functions of a transmitter of probing radio pulses and a receiver of radio signals reflected from the target. Thanks to this combination, super-regenerative transceivers provide the simplest microwave module design. The disadvantage of devices based on superregenerators is the low accuracy of determining the relative speed of the target due to the lack of Doppler selection of signals received from the target.
Известны устройства, в которых функции передатчика и приемника также выполняет единственный каскад - автогенератор (собственно, автодин), работающий в так называемом автодинном режиме [33-41]. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, который состоит в изменениях с частотой Доплера параметров колебаний (амплитуды и частоты), а также тока и/или напряжения в цепи смещения активного элемента под воздействием отраженного от цели излучения. Регистрация (выделение) этих изменений в качестве автодинного сигнала и его обработка обеспечивают получение по частоте Доплера информацию об относительной скорости цели, а по измерениям амплитуды отраженного от цели сигнала и доплеровской частоты - о дальности. Недостатком таких устройств является низкая точность определения расстояния до цели в зоне контроля.There are known devices in which the functions of transmitter and receiver are also performed by a single cascade - a self-oscillator (actually, an autodyne), operating in the so-called autodyne mode [33-41]. The principle of operation of these devices is based on the autodyne effect, which consists of changes with the Doppler frequency of oscillation parameters (amplitude and frequency), as well as current and/or voltage in the bias circuit of the active element under the influence of radiation reflected from the target. Registration (selection) of these changes as an autodyne signal and its processing provide information about the relative speed of the target using the Doppler frequency, and information about the range from measuring the amplitude of the signal reflected from the target and the Doppler frequency. The disadvantage of such devices is the low accuracy of determining the distance to the target in the control zone.
Известны устройства, в которых автодинный приемопередатчик работает в режиме импульсной модуляции излучения [42-56]. При этом приём отражённого радиосигнала и его выделение производятся во время излучения зондирующего радиоимпульса, когда время запаздывания отражённого радиосигнала меньше длительности зондирующих радиоимпульсов () [57,58]. В этом случае процесс выделения информации об отраженном сигнале производится по разности фаз излучаемого и принимаемого радиосигналов вследствие их взаимной когерентности. Относительное перемещение цели и радиолокационного устройства вызывает соответствующие изменения разности фаз этих радиосигналов. Данные изменения фазы в цепи питания автодинного генератора и/или на выходе амплитудного детектора, подключенного к колебательной системе автодина, преобразуются в видеоимпульсы длительностью . Выделение и «растяжение» по времени этих видеоимпульсов на период их повторения путем временного стробирования схемой выборки-хранения и последующая фильтрация обеспечивают формирование доплеровского сигнала. Этот сигнал служит для измерения скорости, определения относительно исходного текущего положения цели и решения задачи ее обнаружения.There are known devices in which an autodyne transceiver operates in the mode of pulse modulation of radiation [42-56]. In this case, the reception of the reflected radio signal and its isolation are carried out during the emission of the probing radio pulse, when the time the delay of the reflected radio signal is less than the duration sounding radio pulses ( ) [57,58]. In this case, the process of extracting information about the reflected signal is carried out based on the difference in the phases of the emitted and received radio signals due to their mutual coherence. The relative movement of the target and the radar device causes corresponding changes in the phase difference of these radio signals. These phase changes in the power circuit of the autodyne generator and/or at the output of the amplitude detector connected to the oscillatory system of the autodyne are converted into video pulses with a duration . Isolating and “stretching” in time these video pulses for the period of their repetition by temporary gating by a sample-and-hold circuit and subsequent filtering, the Doppler signal is generated. This signal is used to measure speed, determine the target’s current position relative to the initial one, and solve the problem of detecting it.
Известны также конструктивно простые радиолокационные устройства [59,60], выполненные на основе автодинного генератора. Устройства содержат последовательно соединенные, блок формирования тактирующих импульсов, автодинный генератор с присоединенной к нему антенной и средства выделения и усиления автодинного сигнала. В этих устройствах используется принцип формирования парных радиоимпульсов на одной частоте, из которых первый радиоимпульс является зондирующим, а второй - приемным. При этом отраженный радиоимпульс во время его приема смешивается с генерируемым автодинным генератором вторым радиоимпульсом той же пары, когда время задержки отраженного радиоимпульса совпадает с временным интервалом между парами. В результате этого смешения возникает реакция автодина в виде изменения его режима работы: амплитуды колебаний, тока и/или напряжения в цепи питания генератора. Выделение этих изменений в виде полезного сигнала обеспечивает получение информации о цели. Согласно патенту [59], указанные изменения режима происходят с доплеровской частотой, что обеспечивает возможность селекции цели как по дальности, так и по скорости ее перемещения.Structurally simple radar devices are also known [59,60], made on the basis of an autodyne generator. The devices contain a series-connected unit for generating clock pulses, an autodyne generator with an antenna attached to it, and means for isolating and amplifying the autodyne signal. These devices use the principle of forming paired radio pulses at the same frequency, of which the first radio pulse is a sounding pulse, and the second is a receiving pulse. In this case, the reflected radio pulse, during its reception, is mixed with the second radio pulse of the same pair generated by the autodyne generator, when the delay time of the reflected radio pulse coincides with the time interval between the pairs. As a result of this mixing, an autodyne reaction occurs in the form of a change in its operating mode: the amplitude of oscillations, current and/or voltage in the generator power circuit. Isolating these changes as a useful signal provides information about the target. According to the patent [59], these mode changes occur with the Doppler frequency, which makes it possible to select a target both by range and by the speed of its movement.
Недостатками устройств, заявленных в материалах [42-56] являются невозможность точного определения текущего расстояния до цели, поскольку принцип действия их основан на получении и обработке доплеровских сигналов [57,58]. При этом фликкерные флуктуации параметров колебаний автодинного генератора ограничивают максимальную дальность действия СБРЛ.The disadvantages of the devices stated in the materials [42-56] are the impossibility of accurately determining the current distance to the target, since their operating principle is based on receiving and processing Doppler signals [57,58]. At the same time, flicker fluctuations of the oscillation parameters of the autodyne generator limit the maximum range of the SBRL.
Способ радиоимпульсной локации устройства, заявленного в [60], состоит в формировании амплитудно-модулированного (АМ) первого радиоимпульса пары, излучении его в направлении цели, приеме части отраженного от цели излучения, воздействии принятым излучением на автодинный генератор во время формирования следующего радиоимпульса пары, выделении в генераторе автодинного сигнала на частоте АМ излучаемого радиоимпульса, усилении и сравнении амплитуды автодинного сигнала с пороговым уровнем.The method of radio pulse location of the device stated in [60] consists of generating an amplitude-modulated (AM) first radio pulse of a pair, emitting it in the direction of the target, receiving part of the radiation reflected from the target, and exposing the received radiation to the autodyne generator during the formation of the next radio pulse of the pair, isolating the autodyne signal at the AM frequency of the emitted radio pulse in the generator, amplifying and comparing the amplitude of the autodyne signal with the threshold level.
Анализ технического решения, заявленного в [60], показал, что в качестве зондирующего излучения в этом устройстве используется энергетически невыгодный вид модуляции - амплитудный. При таком виде модуляции даже при стопроцентной глубине модуляции мощность боковых составляющих колебания составляет примерно треть (0,375) относительно пикового значения мощности или половину относительно мощности немодулированного несущего колебания (см. стр. 88, [61]). Кроме того, известно, что прием сигнала с АМ посредством автодинного генератора также не является оптимальным. Воздействие отраженного радиосигнала на автодинный генератор с такой же несущей частотой вызывает его захват. При этом АМ воздействующего радиосигнала в синхронизированном автогенераторе ограничивается (см. стр. 54-55, [62], стр. 149-164, [63]). По этой причине результирующая реакция автогенератора как приемного устройства радиолокатора на воздействие АМ сигнала является пониженной или может вообще отсутствовать. Поэтому известное устройство [61] имеет значительные потери в энергетике сигналов, как передатчика, так и приемника, и, соответственно, в дальности его действия как радиолокационного устройства. Дополнительным недостатком этого устройства является низкая точность определения относительной скорости движения цели из-за отсутствия доплеровской селекции сигналов цели, поскольку принцип действия его основан на получении информации о дальности только по времени запаздывания отраженного сигналов.An analysis of the technical solution stated in [60] showed that this device uses an energetically unfavorable type of modulation—amplitude—as probing radiation. With this type of modulation, even at 100% modulation depth, the power of the lateral components of the oscillation is approximately one-third (0.375) relative to the peak power value or half of the power of the unmodulated carrier oscillation (see page 88, [61]). In addition, it is known that receiving an AM signal using an autodyne generator is also not optimal. The impact of a reflected radio signal on an autodyne oscillator with the same carrier frequency causes its capture. In this case, the AM of the influencing radio signal in a synchronized self-oscillator is limited (see pp. 54-55, [62], pp. 149-164, [63]). For this reason, the resulting response of the self-oscillator as a radar receiving device to the influence of an AM signal is reduced or may be completely absent. Therefore, the known device [61] has significant losses in the energy of signals, both transmitter and receiver, and, accordingly, in the range of its operation as a radar device. An additional disadvantage of this device is the low accuracy of determining the relative speed of the target due to the lack of Doppler selection of target signals, since its operating principle is based on obtaining range information only from the delay time of the reflected signals.
Известны также технические решения, которые предложены в устройстве импульсно-доплеровской локации для обнаружения целей в контролируемой зоне селекции по дальности и определения их параметров движения, описанные в патентах [64-67] (наиболее подробно суть изобретения изложена в [67]). Данное устройство содержит (см. фиг. 1, [67]) антенну, высокочастотный (ВЧ) генератор с возможностью электрического управления частотой (генератор управляемый напряжением - ГУН), (ВЧ) смеситель, первый и второй управляемые переключатели ВЧ сигналов (УПВЧС), делитель мощности (ДМ) сигналов разностной частоты (РЧ), первый и второй квадратурные смесители сигналов РЧ, фазовращатель на два квадратурных выхода 0° и 90° опорного сигнала промежуточной частоты (ПЧ), первое и второе устройства выборки-хранения (УВХ), блок синхронизации и управления (БСУ). БСУ содержит тактовый генератор, выходы которого подключены к входу формирователя импульсов управления УПВЧС и частотой ВЧ генератора, а также к входу умножителя частоты опорного сигнала ПЧ.There are also known technical solutions that are proposed in a pulse-Doppler location device for detecting targets in a controlled range selection zone and determining their movement parameters, described in patents [64-67] (the essence of the invention is described in more detail in [67]). This device contains (see Fig. 1, [67]) an antenna, a high-frequency (HF) generator with the ability to electrically control the frequency (voltage controlled generator - VCO), an (HF) mixer, the first and second controlled RF signal switches (UPVCS), power divider (DM) of difference frequency (RF) signals, first and second quadrature mixers of RF signals, phase shifter for two quadrature outputs 0° and 90° of the intermediate frequency (IF) reference signal, first and second sample-and-hold devices (SSD), block synchronization and control (SCS). The BSU contains a clock generator, the outputs of which are connected to the input of the pulse shaper for controlling the UPVChS and the frequency of the RF generator, as well as to the input of the frequency multiplier of the IF reference signal.
Согласно описанию принципа действия способ импульсно-доплеровской локации устройства [67] заключается в том, что частоту выходных колебаний ВЧ генератора на время формирования зондирующих радиоимпульсов переключают на величину ПЧ относительно частоты колебаний в остальное время периода повторения зондирующих радиоимпульсов, когда колебания ВЧ генератора являются гетеродинными, излучают зондирующие радиоимпульсы в контролируемое пространство, принимают отраженные от цели радиоимпульсы и смешивают их с гетеродинными колебаниями ВЧ генератора, преобразуют принятые от цели радиоимпульсы в радиоимпульсы РЧ, смешивают последние в квадратурном смесителе с опорными колебаниями ПЧ, преобразуют радиоимпульсы РЧ в область низких доплеровских частот в виде квадратурных видеоимпульсов, затем выполняют выборку мгновенных значений квадратурных видеоимпульсов, и по значениям выборок получают информацию о наличии цели, дальности и параметрах ее перемещения.According to the description of the principle of operation, the method of pulse-Doppler location of the device [67] is that the frequency of the output oscillations of the HF generator during the formation of the probing radio pulses is switched to an IF value relative to the oscillation frequency during the rest of the period of repetition of the probing radio pulses, when the oscillations of the HF generator are heterodyne, emit probing radio pulses into the controlled space, receive radio pulses reflected from the target and mix them with heterodyne oscillations of the RF generator, convert radio pulses received from the target into RF radio pulses, mix the latter in a quadrature mixer with reference IF oscillations, convert RF radio pulses into the region of low Doppler frequencies in the form quadrature video pulses, then the instantaneous values of the quadrature video pulses are sampled, and from the sample values, information about the presence of a target, range and parameters of its movement is obtained.
При этом опорные колебания ПЧ получают умножением частоты выходных колебаний тактового генератора, этими же колебаниями тактового генератора синхронизируют моменты формирования зондирующих радиоимпульсов и переключения частоты ВЧ генератора.In this case, the reference oscillations of the IF are obtained by multiplying the frequency of the output oscillations of the clock generator; the same oscillations of the clock generator synchronize the moments of formation of probing radio pulses and switching the frequency of the RF generator.
Основной недостаток устройства [67] заключается в следующем. Колебания зондирующих радиоимпульсов и гетеродинные колебания, отличающиеся по частоте на величину ПЧ, генерируются одним и тем же ВЧ генератором во временной последовательности, то есть, оба сигнала никогда не присутствуют на выходе ВЧ генератора одновременно. Когерентность этих колебаний, которая задается тактовым генератором относительно моментов переключения частоты ВЧ генератора, из-за естественной нестабильности и непредсказуемых уходов частоты генерации нарушается с увеличением времени запаздывания отраженных от цели радиоимпульсов, то есть, дальности до цели. Это приводит к нелинейности в зависимости набега фазы колебаний отраженных радиоимпульсов от времени запаздывания, а также, как следствие, изменению значения РЧ сигнала на выходе ВЧ смесителя, снижению отношения сигнал/шум и искажениям видеоимпульсов на выходе квадратурного смесителя (см. описание и диаграммы фиг. 8, [67]). Отмеченные явления усиливаются с увеличением диапазона частот несущего излучения, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Они являются причиной снижения предельной дальности действия СБРЛ, надежности обнаружения и точности определения параметров движения цели.The main disadvantage of the device [67] is as follows. Oscillations of probing radio pulses and heterodyne oscillations, differing in frequency by the IF value, are generated by the same RF generator in time sequence, that is, both signals are never present at the output of the RF generator at the same time. The coherence of these oscillations, which is set by the clock generator relative to the moments of switching the frequency of the HF generator, due to the natural instability and unpredictable departures of the generation frequency, is violated with an increase in the delay time of the radio pulses reflected from the target, that is, the range to the target. This leads to nonlinearity in the dependence of the oscillation phase of the reflected radio pulses on the delay time, and also, as a consequence, to a change in the value of the RF signal at the output of the RF mixer, a decrease in the signal-to-noise ratio and distortion of the video pulses at the output of the quadrature mixer (see the description and diagrams in Fig. 8, [67]). The noted phenomena intensify with increasing frequency range of the carrier radiation, especially in the millimeter wave range. They are the reason for the reduction in the maximum range of the SBRL, the reliability of detection and the accuracy of determining the parameters of the target's movement.
Дополнительными недостатками известного устройства [67] являются большое потребление тока по цепи питания, поскольку ВЧ генератор работает непрерывно. Наличие утечки излучения ВЧ генератора осложняет решение задачи электромагнитной совместимости и скрытности работы в условиях возросшего количества радиосредств. Конструктивная сложность ВЧ части устройства также относится к его недостатку. Указанные недостатки создают проблему применения устройства [67] в СБРЛ бортового исполнения. Например, в датчиках обнаружения цели в зоне контроля, а также в системах предотвращения столкновений транспортных средств.Additional disadvantages of the known device [67] are the high current consumption in the power circuit, since the RF generator operates continuously. The presence of leakage of RF generator radiation complicates the solution of the problem of electromagnetic compatibility and secrecy of operation in conditions of an increased number of radio equipment. The design complexity of the RF part of the device is also one of its disadvantages. These disadvantages create the problem of using the device [67] in an on-board SBRL. For example, in target detection sensors in the control zone, as well as in vehicle collision avoidance systems.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности, принципу действия и достигаемому положительному эффекту являются способ и устройство, описанные в патенте RU2803413C1, опубл. 12.09.2023, бюл. 26. Заявка 2023101609 от 26.01.2023. МПК G01S13/18, G01S13/34, G01S13/42, G01S13/53, G01S7/228. Способ импульсно-доплеровской радиолокации и устройство с автодинным приёмопередатчиком для его реализации / В.Я. Носков, Р.Г. Галеев, Е.В. Богатырев, К.А. Игнатков, Д.С. Вишняков [68].The closest analogue (prototype) in terms of technical essence, operating principle and achieved positive effect are the method and device described in patent RU2803413C1, publ. 09/12/2023, bulletin. 26. Application 2023101609 dated 01/26/2023. IPC G01S13/18, G01S13/34, G01S13/42, G01S13/53, G01S7/228. Method of pulse-Doppler radar and a device with an autodyne transceiver for its implementation / V.Ya. Noskov, R.G. Galeev, E.V. Bogatyrev, K.A. Ignatkov, D.S. Vishnyakov [68].
Способ импульсно-доплеровской радиолокации прототипа заключается в том, что на ВЧ генератор ударно воздействуют последовательностью парных импульсов запуска с крутыми фронтами, формируют при этом в ВЧ генераторе в течение каждого радиоимпульса когерентные относительно частоты запускающих импульсов колебания, причем частоту первых радиоимпульсов каждой пары смещают относительно частоты вторых радиоимпульсов на величину ПЧ, облучают контролируемое пространство сформированными в ВЧ генераторе радиоимпульсами, принимают отраженные от находящейся в этом пространстве цели первые радиоимпульсы каждой пары и воздействуют ими на ВЧ генератор во время формирования в нем второго радиоимпульса, смешивают колебания принятого радиоимпульса с собственными колебаниями ВЧ генератора, вызывая в нем автодинные изменения амплитуды колебаний, а также тока и/или напряжения в цепи питания ВЧ генератора с разностной частотой (РЧ), выделяют автодинные изменения в виде радиоимпульсов РЧ, смешивают их с опорными колебаниями ПЧ в квадратурном смесителе, преобразуют радиоимпульсы РЧ в область низких доплеровских частот в виде квадратурных видеоимпульсов, затем выполняют выборку мгновенных значений квадратурных видеоимпульсов, и по значениям выборок далее получают информацию о наличии цели, дальности и параметрах ее перемещения.The method of pulse-Doppler radar of the prototype is that the HF generator is impacted by a sequence of paired trigger pulses with steep edges, while oscillations that are coherent relative to the frequency of the trigger pulses are formed in the HF generator during each radio pulse, and the frequency of the first radio pulses of each pair is shifted relative to the frequency second radio pulses by the IF value, irradiate the controlled space with radio pulses generated in the HF generator, receive the first radio pulses of each pair reflected from a target located in this space and act with them on the HF generator during the formation of the second radio pulse in it, mix the oscillations of the received radio pulse with the natural oscillations of the HF generator , causing in it autodyne changes in the amplitude of oscillations, as well as current and/or voltage in the power circuit of the RF generator with a difference frequency (RF), the autodyne changes are isolated in the form of RF radio pulses, mixed with the reference IF oscillations in a quadrature mixer, and the RF radio pulses are converted into the region of low Doppler frequencies in the form of quadrature video pulses, then the instantaneous values of the quadrature video pulses are sampled, and from the sample values, information about the presence of the target, range and parameters of its movement is then obtained.
Устройство с автодинным приёмопередатчиком для систем импульсно-доплеровской радиолокации прототипа содержит антенну, ВЧ генератор, выполненный с возможностью электрического управления частотой генерации, блок выделения автодинного сигнала, делитель мощности (ДМ) сигналов РЧ, первый и второй смесители, фазовращатель на два квадратурных выхода сигналов опорной ПЧ, первое и второе устройства выборки-хранения, а также программируемый блок синхронизации и управления (ПБСУ), генератор импульсов ударного возбуждения (ГИУВ), причем высокочастотный порт ВЧ генератора присоединен к антенне, выходы делителя мощности присоединены к сигнальным входам первого и второго смесителей, первый выход ПБСУ подключен к управляющему входу частотой ВЧ генератора, а третий выход подключен к входу фазовращателя, квадратурные выходы которого подключены к гетеродинным входам первого и второго смесителей, при этом выходы последних подключены к сигнальным входам устройств выборки-хранения, между вторым выходом ПБСУ и входом запуска ВЧ генератора введен ГИУВ, а между ВЧ генератором и делителем мощности введен блок выделения автодинного сигнала. ПБСУ содержит тактовый генератор, выходы которого подключены к входам программируемых умножителя и делителя частоты, а также селектор импульсов на три входа.A device with an autodyne transceiver for pulse-Doppler radar systems of the prototype contains an antenna, an RF generator configured to electrically control the generation frequency, an autodyne signal extraction unit, a power divider (PD) of RF signals, the first and second mixers, a phase shifter for two quadrature outputs of reference signals IF, first and second sampling-storage devices, as well as a programmable synchronization and control unit (PBSU), impact excitation pulse generator (IPUG), and the high-frequency port of the RF generator is connected to the antenna, the outputs of the power divider are connected to the signal inputs of the first and second mixers, the first output of the PBSU is connected to the control input of the RF generator frequency, and the third output is connected to the input of the phase shifter, the quadrature outputs of which are connected to the heterodyne inputs of the first and second mixers, while the outputs of the latter are connected to the signal inputs of the sample-storage devices, between the second output of the PBSU and the input for starting the RF generator, a GIUV was introduced, and an autodyne signal isolation unit was introduced between the RF generator and the power divider. The PBSU contains a clock generator, the outputs of which are connected to the inputs of a programmable multiplier and frequency divider, as well as a pulse selector for three inputs.
Недостатком прототипа является наличие «мертвой зоны» в непосредственной близости от СБРЛ, ограниченной длительностью зондирующего радиоимпульса и временем восстановления ВЧ генератора. Как показано выше, наличие ближней зоны селекции цели в непосредственной близости от СБРЛ для обнаружения и определения параметров движения целей востребовано для многих приложений.The disadvantage of the prototype is the presence of a “dead zone” in the immediate vicinity of the SBRL, limited by the duration of the probing radio pulse and the recovery time of the RF generator. As shown above, the presence of a near target selection zone in the immediate vicinity of the SBRL for detecting and determining target movement parameters is in demand for many applications.
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости расширения функциональных возможностей прототипа путем исключения «мертвой зоны» в непосредственной близости от СБРЛ и формирования в этом диапазоне дальностей второй (ближней) рабочей зоны селекции, обеспечивающей обнаружение и определение параметров движения цели в непосредственной близости от СБРЛ при сохранении дальней зоны селекции и функциональных возможностей прототипа.Thus, the technical problem to be solved by the claimed invention is the need to expand the functionality of the prototype by eliminating the “dead zone” in the immediate vicinity of the SBRL and forming a second (close) working selection zone in this range range, providing detection and determination of parameters target movement in the immediate vicinity of the SBRL while maintaining the distant selection zone and functionality of the prototype.
Суть технического предложения состоит в следующем. В автодинном генераторе под воздействием импульсов запуска, также как в прототипе, формируется последовательность из некратных пар радиоимпульсов, причем частота первого радиоимпульса относительно частоты второго радиоимпульса смещена на величину ПЧ. В этих парах первый радиоимпульс является зондирующим при формировании как ближней, так и дальней зон, а второй - приемным (гетеродинным) при формировании только дальней зоны селекции. Прием отраженного радиоимпульса в первой зоне селекции автодином осуществляется в процессе генерации первого зондирующего радиоимпульса, а сигнала второй зоны селекции - при генерации второго радиоимпульса. Получаемые при этом автодинные сигналы разделяются на два канала при помощи электронного коммутатора. Когерентность колебаний формируемых радиоимпульсов обеспечивается также, как у прототипа, ударным возбуждением ВЧ генератора, при котором импульсом запуска с крутым фронтом навязываются начальные фаза и амплитуда колебаний, а частота генерации становится кратной частоте повторения импульсов с пониженным уровнем шума (см. авт. свидетельство SU1292161A1 [69] и стр. 37-40 в книге [70]).The essence of the technical proposal is as follows. In an autodyne generator, under the influence of trigger pulses, just like in the prototype, a sequence of multiple pairs of radio pulses is formed, and the frequency of the first radio pulse relative to the frequency of the second radio pulse is shifted by the IF value. In these pairs, the first radio pulse is a probing pulse when forming both near and far zones, and the second is a receiving (heterodyne) pulse when only the far selection zone is formed. Reception of the reflected radio pulse in the first selection zone by the autodyne is carried out during the generation of the first probing radio pulse, and the signal of the second selection zone - during the generation of the second radio pulse. The resulting autodyne signals are divided into two channels using an electronic switch. The coherence of the oscillations of the generated radio pulses is ensured, as in the prototype, by shock excitation of the HF generator, in which the initial phase and amplitude of the oscillations are imposed by a trigger pulse with a steep edge, and the generation frequency becomes a multiple of the pulse repetition frequency with a reduced noise level (see author's certificate SU1292161A1 [ 69] and pp. 37-40 in the book [70]).
Решение указанной проблемы достигается тем, что предложен способ импульсно-доплеровской радиолокации для контроля двух зон селекции цели по дальности, заключающийся в том, что на ВЧ генератор ударно воздействуют последовательностью парных импульсов запуска с крутыми фронтами, формируют при этом в ВЧ генераторе в течение каждого радиоимпульса когерентные относительно частоты запускающих импульсов колебания, причем частоту первых радиоимпульсов каждой пары смещают относительно частоты вторых радиоимпульсов на величину промежуточной частоты (ПЧ), облучают контролируемое пространство сформированными в ВЧ генераторе зондирующими радиоимпульсами, принимают отраженные от находящихся в ближней и дальней зонах целей первые и вторые радиоимпульсы, полученные от первого зондирующего радиоимпульса каждой пары, и воздействуют ими на ВЧ генератор во время формирования в нем первого и второго радиоимпульсов соответственно, вызывая в нем автодинные изменения амплитуды колебаний, а также тока и/или напряжения в цепи питания ВЧ генератора, выделяют автодинные изменения в виде видеоимпульсов ближней зоны селекции во время формирования первого зондирующего радиоимпульса и в виде радиоимпульсов разностной частоты (РЧ) во время формирования второго зондирующего радиоимпульса, смешивают радиоимпульсы РЧ с опорными колебаниями ПЧ в смесителе, преобразуя радиоимпульсы РЧ в область низких доплеровских частот в виде видеоимпульсов дальней зоны селекции, затем раздельно выполняют выборку мгновенных значений первых и вторых видеоимпульсов, и по значениям выборок получают информацию о наличии целей в ближней и дальней зонах селекции, а также расстояния и параметрах их перемещения.The solution to this problem is achieved by proposing a pulse-Doppler radar method for monitoring two target selection zones by range, which consists in the fact that the HF generator is impacted by a sequence of paired trigger pulses with steep edges, which are formed in the HF generator during each radio pulse oscillations that are coherent relative to the frequency of the triggering pulses, and the frequency of the first radio pulses of each pair is shifted relative to the frequency of the second radio pulses by an intermediate frequency (IF), irradiate the controlled space with probing radio pulses generated in the HF generator, and receive the first and second radio pulses reflected from targets located in the near and far zones , received from the first probing radio pulse of each pair, and act with them on the HF generator during the formation of the first and second radio pulses in it, respectively, causing autodyne changes in the amplitude of oscillations, as well as current and/or voltage in the power circuit of the HF generator, identifying autodyne changes in the form of video pulses of the near selection zone during the formation of the first probing radio pulse and in the form of difference frequency (RF) radio pulses during the formation of the second probing radio pulse, RF radio pulses are mixed with reference IF oscillations in the mixer, converting RF radio pulses into the region of low Doppler frequencies in the form of far-range video pulses selection zones, then separately sample the instantaneous values of the first and second video pulses, and from the sample values, information is obtained about the presence of targets in the near and far selection zones, as well as the distance and parameters of their movement.
Предложено устройство с автодинным приёмопередатчиком для контроля двух зон селекции цели по дальности, содержащее антенну, ВЧ генератор, выполненный с возможностью электрического управления частотой генерации, устройство выделения автодинного сигнала, смеситель, первое и второе устройства выборки-хранения (УВХ), генератор импульсов ударного возбуждения (ГИУВ), а также программируемый блок синхронизации и управления (ПБСУ), причем высокочастотный порт ВЧ генератора присоединен к антенне, устройство выделения автодинного сигнала связано с ВЧ генератором, первый вывод ПБСУ подключен к управляющему входу частотой ВЧ генератора, между вторым выводом ПБСУ и входом запуска ВЧ генератора введен ГИУВ, третий вывод ПБСУ подключен к гетеродинному входу смесителя, выход которого подключен к входу первого УВХ, для решения указанной проблемы к сигнальному выходу устройства выделения автодинного сигнала подключен сигнальный вход коммутатора сигналов (КС), первый выход которого подключен к входу смесителя, второй выход - к входу второго УВХ, а вход управления КС - к первому выводу ПБСУ, при этом входы управления первого и второго УВХ подключены к четвертому и пятому выводам ПБСУ соответственно.A device with an autodyne transceiver is proposed for monitoring two zones of target selection by range, containing an antenna, an RF generator configured to electrically control the generation frequency, a device for isolating an autodyne signal, a mixer, the first and second sampling-storage devices (SSD), a shock excitation pulse generator (GIUV), as well as a programmable synchronization and control unit (PBSU), wherein the high-frequency port of the RF generator is connected to the antenna, the device for isolating the autodyne signal is connected to the HF generator, the first output of the PBSU is connected to the control input of the frequency of the HF generator, between the second output of the BPSU and the input to start the RF generator, a GIUV is introduced, the third output of the PBSU is connected to the heterodyne input of the mixer, the output of which is connected to the input of the first HFX, to solve this problem, the signal input of the signal switch (KS) is connected to the signal output of the autodyne signal isolation device, the first output of which is connected to the input of the mixer , the second output is to the input of the second UVH, and the control input KS is to the first output of the PBSU, while the control inputs of the first and second UVH are connected to the fourth and fifth outputs of the PBSU, respectively.
Выполненный анализ уровня техники в области применения автодинов в качестве приемопередатчиков в импульсно-доплеровских радиолокаторах показал, что известные устройства-аналоги [60,61] и прототип по своей сути и принципу действия, а также достигаемым техническим показателям существенно отличаются от предлагаемого технического решения и не могут быть противопоставлены заявляемому устройству. Были рассмотрены также альтернативные решения в данной и смежных областях (см. стр. 279-285, рис. 9.5, 9.6 [71]; стр. 164-169, [72]; стр. 517-530, рис. 11.4, 11.5 [73]; [74,75]). В результате установлено, что известные устройства импульсно-доплеровской радиолокации выполнены преимущественно на основе отдельных узлов передатчика и приёмника. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает новизной, поскольку авторам неизвестны устройства аналогичного назначения, содержащие признаки, которые фигурируют в предлагаемом изобретении в качестве отличительных признаков.The analysis of the state of the art in the field of using autodynes as transceivers in pulse-Doppler radars showed that the known analogue devices [60,61] and the prototype in their essence and principle of operation, as well as the achieved technical indicators, differ significantly from the proposed technical solution and do not may be opposed to the claimed device. Alternative solutions in this and related areas were also considered (see pp. 279-285, Fig. 9.5, 9.6 [71]; pp. 164-169, [72]; pp. 517-530, Fig. 11.4, 11.5 [ 73]; [74,75]). As a result, it was established that the known pulse-Doppler radar devices are made primarily on the basis of separate transmitter and receiver units. Consequently, the proposed technical solution is novel, since the authors do not know devices for a similar purpose containing features that appear in the proposed invention as distinctive features.
Анализ результатов патентного поиска показал, что предлагаемое решение не следует явным образом из уровня техники. Отсюда следует, что поиск не выявил известность влияния существенных признаков заявляемого технического решения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».Analysis of the patent search results showed that the proposed solution does not follow clearly from the prior art. It follows that the search did not reveal the known influence of the essential features of the proposed technical solution on achieving the specified technical result. Consequently, the claimed technical solution meets the patentability condition “inventive step”.
Изобретение направлено на улучшение параметров и характеристик СБРЛ, предназначенных для решения широкого круга задач обнаружения, измерения дальности и определения параметров движения целей. Решение этих задач востребовано во многих отраслях человеческой деятельности, например, в системах контроля технологических параметров в производстве и на транспорте, в сельском хозяйстве и медицине, в системах безопасности и военном деле, в робототехнике, технологиях бесконтактной сенсорики объектов и научных исследованиях, что необходимо для удовлетворения все возрастающих потребностей человека. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».The invention is aimed at improving the parameters and characteristics of SBRL intended for solving a wide range of problems of detection, range measurement and determination of target movement parameters. The solution to these problems is in demand in many sectors of human activity, for example, in systems for monitoring technological parameters in production and transport, in agriculture and medicine, in security systems and military affairs, in robotics, technologies for non-contact sensing of objects and scientific research, which is necessary for satisfying ever-increasing human needs. Thus, the claimed invention meets the criterion of “industrial applicability”.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства с автодинным приёмопередатчиком для систем импульсно-доплеровской радиолокации с двумя зонами селекции цели по дальности.In fig. Figure 1 shows a block diagram of a device with an autodyne transceiver for pulse-Doppler radar systems with two target selection zones by range.
На фиг. 2 представлена структурная схема варианта выполнения программируемого блока синхронизации и управления.In fig. Figure 2 shows a block diagram of an embodiment of a programmable synchronization and control unit.
На фиг. 3 представлены варианты выполнения автодина (АД) с выделением автодинного сигнала по изменению тока в цепи питания автодинного генератора (АГ) (а) и по изменению амплитуды колебаний (б).In fig. Figure 3 shows options for performing an autodyne (AD) with isolating the autodyne signal by changing the current in the power circuit of the autodyne generator (AG) ( a ) and by changing the amplitude of oscillations ( b ).
На фиг. 4 представлены временные диаграммы сигналов в характерных точках устройства с автодинным приёмопередатчиком для систем импульсно-доплеровской радиолокации с двумя зонами селекции цели по дальности: (а) - выходное напряжение управления частотой автодинного генератора и коммутатором сигналов; (б) - выходное напряжение генератора импульсов ударного возбуждения автодинного генератора; (в) - опорные колебания промежуточной частоты; (г) - выходные пачки импульсов синхронизации выборок первого и второго АЦП-1 и АЦП-2; (д) - выходные колебания автодинного генератора при формировании пар радиоимпульсов на первой и второй частотах соответственно; (е) - колебания отраженных от целей радиоимпульсов; (ж) - преобразованный сигнал на выходе автодина; (з) -сигнал на выходе смесителя.In fig. Figure 4 shows timing diagrams of signals at characteristic points of a device with an autodyne transceiver for pulse-Doppler radar systems with two target selection zones by range: ( a ) - output voltage for controlling the frequency of an autodyne generator and a signal switch; ( b ) - output voltage of the shock excitation pulse generator of the autodyne generator; ( c ) - reference oscillations of intermediate frequency; ( d ) - output bursts of pulses synchronizing samples of the first and second ADC-1 and ADC-2; ( d ) - output oscillations of the autodyne generator during the formation of pairs of radio pulses on the first and second frequencies respectively; ( f ) - oscillations of radio pulses reflected from targets; ( g ) - converted signal at the output of the autodyne; ( z ) - signal at the mixer output.
Суть предложенного способа импульсно-доплеровской радиолокации для контроля двух зон селекции цели по дальности будет рассмотрена ниже при описании работы устройства.The essence of the proposed pulse-Doppler radar method for monitoring two target selection zones by range will be discussed below when describing the operation of the device.
Устройство с автодинным приёмопередатчиком для контроля двух зон селекции цели по дальности (см. фиг. 1) содержит антенну А, автодинный приемопередатчик (или просто автодин - АД), выполненный на основе ВЧ генератора с возможностью электрического управления частотой генерации, коммутатор сигналов КС, смеситель СМ, первый АЦП-1 и второй АЦП-2 аналого-цифровые преобразователи, выполняющие функции устройств выборки и хранения, программируемый блок синхронизации и управления ПБСУ, а также блок цифровой обработки сигналов БЦОС.A device with an autodyne transceiver for monitoring two target selection zones by range (see Fig. 1) contains antenna A, an autodyne transceiver (or simply autodyne - AD), made on the basis of an RF generator with the ability to electrically control the generation frequency, a signal switch KS, a mixer SM, the first ADC-1 and the second ADC-2 analog-to-digital converters performing the functions of sampling and storage devices, a programmable synchronization and control unit PBSU, as well as a digital signal processing unit DBSP.
Антенна А присоединена к высокочастотному порту автодина АД, а его вывод (под цифрой 3) автодинного сигнала подключен к входу коммутатора сигналов КС, первый выход которого присоединен к сигнальному входу смесителя СМ, а второй - к сигнальному входу второго АЦП-2, выход смесителя СМ присоединен к сигнальному входу первого АЦП-1, а выходы АЦП-1 и АЦП-2 подключены к сигнальным входам блока цифровой обработки сигналов БЦОС. Первый вывод программируемого блока синхронизации и управления ПБСУ подключен к входу (под цифрой 1) управления частотой генерации автодина АД и входу управления коммутатором сигналов КС, второй вывод ПБСУ через генератор импульсов ударного возбуждения ГИУВ связан с входом (под цифрой 2) запуска автодина АД, третий вывод ПБСУ подключен к гетеродинному входу смесителя СМ, а четвертый и пятый выводы ПБСУ подключены к тактовым входам первого АЦП-1 и второго АЦП-2 соответственно. Кроме того, ПБСУ и БЦОС связаны между собой шиной команд программирования ШКП, а к выходу БЦОС подключена шина выходных данных ШВД для связи с конечным потребителем, например, бортовым компьютером (на фиг. 1 не показан).Antenna A is connected to the high-frequency port of the autodyne AD, and its output (under number 3) of the autodyne signal is connected to the input of the signal switch KS, the first output of which is connected to the signal input of the SM mixer, and the second to the signal input of the second ADC-2, output of the SM mixer connected to the signal input of the first ADC-1, and the outputs of ADC-1 and ADC-2 are connected to the signal inputs of the digital signal processing unit DBSP. The first output of the programmable synchronization and control unit PBSU is connected to the input (number 1) for controlling the frequency of generation of the autodyne AD and the control input of the KS signal switch, the second output of the PBSU is connected through the shock excitation pulse generator GIUV to the input (under number 2) starting the autodyne AD, the third the PBSU pin is connected to the heterodyne input of the SM mixer, and the fourth and fifth pins of the PBSU are connected to the clock inputs of the first ADC-1 and the second ADC-2, respectively. In addition, the PBSU and the BTsOS are interconnected by a bus of programming commands of the ShKP, and the output data bus of the ShVD is connected to the output of the BTsOS for communication with the end user, for example, an on-board computer (not shown in Fig. 1).
Программируемый блок синхронизации и управления ПБСУ содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы, а также приемопередающий порт (под цифрой 6) шины команд программирования ШКП, тактовый генератор, подключенный к входам программируемых умножителя (ПУЧ) и делителя (ПДЧ) частоты, а также первый селектор импульсов на три входа «а», «б» и «в», второй селектор импульсов на три входа «», «б» и «в», где вход «» является инвертирующим, выходы «а» ПДЧ, «б» ПДЧ и «б» ПУЧ по отдельности соответственно подключены к входам «а», «б» и «в» первого селектора импульсов, и к входам «», «б» и «в» второго селектора импульсов, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы ПБСУ подключены к выходам «а» ПДЧ, «б» ПДЧ, «а» ПУЧ и выходам первого и второго селекторов импульсов на три входа соответственно.The programmable synchronization and control unit PBSU contains the first, second, third, fourth and fifth outputs, as well as a transceiver port (number 6) of the ShKP programming command bus, a clock generator connected to the inputs of a programmable frequency multiplier (PMC) and frequency divider (PDF), as well as the first pulse selector for three inputs “a”, “b” and “c”, the second pulse selector for three inputs “ ", "b" and "c", where the input " " is inverting, the outputs "a" of the PFC, "b" of the PFC and "b" of the PFC are separately respectively connected to the inputs "a", "b" and "c" of the first pulse selector, and to the inputs " ", "b" and "c" of the second pulse selector, while the first, second, third, fourth and fifth conclusions of the PBSU are connected to the outputs "a" of the MAP, "b" of the MAP, "a" PUCH and the outputs of the first and second pulse selectors for three inputs respectively.
БЦОС содержит сигнальный процессор и шинные приемопередатчики (на фиг. 1 не показаны), которые посредством шины команд программирования ШКП и шины выходных данных ШВД связаны с ПБСУ и конечным потребителем данных соответственно (см. фиг. 1).The BCOS contains a signal processor and bus transceivers (not shown in Fig. 1), which are connected to the PBSU and the end user of the data, respectively, via the ShKP programming command bus and the ShVD output data bus, respectively (see Fig. 1).
Автодин АД (см. фиг. 3а и 3б) содержит автодинный генератор АГ, выполненный, например, на основе генераторного диода Д2 (диода Ганна или лавинно-пролётного диода), помещенного в резонансную систему (резонатор) АГ, и устройство выделения автодинного сигнала. Варианты выполнения АД на основе генераторных диодов с устройством выделения автодинного сигнала по первому варианту (в цепи питания) описаны в статье [76] (см. рис. 14 и рис. 21). Устройство выделения автодинного сигнала может быть выполнено в виде широкополосного датчика тока ДТ, включенного между выводом диода Д2 и вторым выводом автодина АД (см. фиг. 3а). В качестве датчиков тока обычно используются последовательно подключенные в цепь питания резистор, индуктивность, трансформатор тока, колебательный контур, схема с трансформаторно-емкостной связью контуров (см. рис. 74, монографии [77]) или электронная схема на основе транзисторов и интегральных усилителей (см. рис. 15, 16 [76]). В патенте [53] (см. фигуры 1, 4 и 5) для повышения быстродействия и, соответственно, расширения полосы частот автодинного сигнала предложено применение схемы делителя Вилкинсона, образованной микрополосковыми линиями.Autodyne AD (see Fig. 3 a and 3 b ) contains an autodyne generator AG, made, for example, on the basis of a generator diode D2 (a Gunn diode or an avalanche diode) placed in the resonant system (resonator) of the AG, and a device for separating the autodyne signal. Options for making an IM based on generator diodes with a device for isolating an autodyne signal according to the first option (in the power supply circuit) are described in article [76] (see Fig. 14 and Fig. 21). The device for isolating the autodyne signal can be made in the form of a broadband current sensor DT, connected between the output of the diode D2 and the second output of the autodyne AD (see Fig. 3a ). As current sensors, a resistor, inductance, current transformer, oscillatory circuit, a circuit with transformer-capacitive coupling of circuits (see Fig. 74, monographs [77]) or an electronic circuit based on transistors and integrated amplifiers are usually used in series in the power circuit. see Fig. 15, 16 [76]). In the patent [53] (see Figures 1, 4 and 5), to increase the speed and, accordingly, expand the frequency band of the autodyne signal, the use of a Wilkinson divider circuit formed by microstrip lines is proposed.
Устройство выделения автодинного сигнала по второму варианту может быть выполнено на основе детекторного диода Д3, помещенного в колебательную систему (резонатор) АГ (см. фиг. 3б) или в связанную с резонатором передающую линию, как показано на фиг. 2 патента РФ RU2295911С1 (опубл. 27.03.2007, бюл. № 9) и на рис. 6а и 9а статьи [76]. Для обеспечения электрической перестройки частоты генерации в резонатор АГ может быть помещён варикап Д1 (см. стр. 80-84, [78]). Запуск АГ на диоде Ганна производится подачей импульса напряжения в цепь питания (см. рис. 15, [79], патент [53]), а ЛПД - импульса тока (см. рис. 22, [76]). Выход устройства выделения автодинного сигнала подключен к третьему выводу АД. Электрическое управление частотой генерации АД через его первый вывод в обоих вариантах осуществляется посредством варикапа Д1, помещенного в колебательную систему АГ.The device for isolating an autodyne signal according to the second option can be made on the basis of a detector diode D3 placed in the oscillatory system (resonator) AG (see Fig. 3b ) or in a transmission line connected to the resonator, as shown in Fig. 2 patents of the Russian Federation RU2295911С1 (published on March 27, 2007, bulletin No. 9) and in Fig. 6 a and 9 a of article [76]. To ensure electrical tuning of the generation frequency, a varicap D1 can be placed in the AG resonator (see pp. 80-84, [78]). The AG on a Gunn diode is started by applying a voltage pulse to the power circuit (see Fig. 15, [79], patent [53]), and the LPD by applying a current pulse (see Fig. 22, [76]). The output of the autodyne signal extraction device is connected to the third pin of the AD. Electrical control of the IM generation frequency through its first output in both variants is carried out by means of a varicap D1 placed in the AG oscillatory system.
Автодин АД может быть выполнен также в виде генераторного модуля на основе одного или нескольких транзисторов, в цепь питания которых последовательно подключен резистор или электронная схема преобразования автодинных изменений тока в напряжение автодинного сигнала (см., например, фигуры с 18 по 23 патента [39]). Для перестройки частоты в резонансную систему генератора обычно подключается варикап (см. фиг. 44с, 45с, [39]). Ударный запуск генератора может осуществляться по цепи питания генератора (см. фиг. 43, [39]), а также по цепям управления усилителей, выполненных на биполярных или полевых транзисторах [79, 80].Autodyne IM can also be made in the form of a generator module based on one or more transistors, into the power circuit of which a resistor or an electronic circuit for converting autodyne current changes into voltage of the autodyne signal is connected in series (see, for example, figures 18 to 23 of the patent [39] ). To adjust the frequency, a varicap is usually connected to the resonant system of the generator (see Fig. 44c, 45c, [39]). The shock start of the generator can be carried out through the generator power circuit (see Fig. 43, [39]), as well as through the control circuits of amplifiers made on bipolar or field-effect transistors [79, 80].
Генератор импульсов ударного возбуждения ГИУВ, предназначенный для формирования импульсов запуска с крутым фронтом пикосекундной длительности, служит для получения в АГ когерентных колебаний радиоимпульсов. Для этого длительность фронта выходных импульсов ГИУВ в зоне перехода к инкрементному режиму работы радиоимпульсного АГ [81] должна быть не более половины периода ВЧ колебаний АГ, а амплитуда их - не менее чем на порядок выше уровня шумов (см. раздел 5.6. «Примерный порядок проектирования и расчета РПЧ», стр. 103-108, книги [70]).The GIUV shock excitation pulse generator, designed to generate trigger pulses with a steep edge of picosecond duration, is used to obtain coherent oscillations of radio pulses in the AG. To do this, the duration of the front of the GIUV output pulses in the zone of transition to the incremental operating mode of the radio pulse AG [81] should be no more than half the period of the HF oscillations of the AG, and their amplitude should be no less than an order of magnitude higher than the noise level (see section 5.6. “Approximate order design and calculation of RFC", pp. 103-108, books [70]).
Исследования радиоимпульсных генераторов на диодах Ганна 3-см диапазона длин волн показали, что условия когерентности радиоимпульсов выполняются при запуске импульсами с продолжительностью фронта около 50 пикосекунд и амплитудой ударного возбуждения во время прохождения порогового напряжения диода Ганна не менее 0,01 Вольт [82]. При этом получено снижение частотных шумов по сравнению с шумами в режиме непрерывной генерации на 35 дБ на расстоянии 1 кГц от несущей. Амплитудные шумы в режиме радиоимпульсного умножения частоты снижаются на 2…2,5 дБ. Для радиоимпульсных генераторов на ЛПД подавление частотных шумов достигает 50 дБ [83]. Результаты исследований фазовой стабильности колебаний в радиоимпульсных генераторах на диодах Ганна показали, что при длительностях фронта запускающих импульсов менее 2 нс независимые по цепям СВЧ генераторы на диодах Ганна позволяют получить нестабильность (расхождение) начальной фазы 2-2,5° при длительности наблюдения 200 нс [84, 85].Studies of radio pulse generators based on Gunn diodes of the 3-cm wavelength range have shown that the conditions for coherence of radio pulses are met when triggered by pulses with a front duration of about 50 picoseconds and an amplitude of shock excitation while passing the Gunn diode threshold voltage of at least 0.01 Volt [82]. In this case, a reduction in frequency noise was obtained compared to noise in the continuous generation mode by 35 dB at a distance of 1 kHz from the carrier. Amplitude noise in the radio pulse frequency multiplication mode is reduced by 2...2.5 dB. For radio pulse generators on LPD, frequency noise suppression reaches 50 dB [83]. The results of studies of the phase stability of oscillations in radio pulse generators based on Gunn diodes showed that with the front duration of the triggering pulses less than 2 ns, independent microwave generators based on Gunn diodes in circuits make it possible to obtain instability (divergence) of the initial phase of 2-2.5° with an observation duration of 200 ns [ 84, 85].
Технические решения создания ГИУВ широко известны (см. главу 7.8. «Формирователи и генераторы импульсов с пикосекундными фронтами», стр. 118-136, пособия [86]; раздел 3.4. «Источники зондирующих радиоимпульсных сигналов», стр. 108-114, монографии [87]). ГИУВ могут быть выполнены на основе линии передачи, туннельных диодов, коммутируемых разрядных линий, лавинных S-диодов и S-транзисторов, оптоэлектронных формирователей, диодов с накоплением заряда (ДНЗ), дрейфовых диодов, быстродействующих транзисторов и интегральных схем. Расчет генератора субнаносекундных импульсов на основе ДНЗ, изложен в [88], а примеры их применения в ГИУВ для радиоимпульсных генераторов, выполненных на диодах Ганна и полевых транзисторах, приведены в описаниях к патентам [69,79]. ГИУВ для радиоимпульсных генераторов на диодах Ганна, выполненные на лавинных транзисторах и S-диодах представлены на рис. 3.7, 3.8 и 3.9 монографии [87].Technical solutions for creating GIUVs are widely known (see chapter 7.8. “Pulse shapers and generators with picosecond fronts”, pp. 118-136, manuals [86]; section 3.4. “Sources of probing radio pulse signals”, pp. 108-114, monographs [87]). GIUVs can be made on the basis of transmission lines, tunnel diodes, switched bit lines, avalanche S-diodes and S-transistors, optoelectronic drivers, charge storage diodes (CSDs), drift diodes, high-speed transistors and integrated circuits. The calculation of a subnanosecond pulse generator based on DNS is described in [88], and examples of their use in GIUV for radio pulse generators made on Gunn diodes and field-effect transistors are given in the descriptions of patents [69,79]. GIUV for radio pulse generators on Gunn diodes, made on avalanche transistors and S-diodes are presented in Fig. 3.7, 3.8 and 3.9 of the monograph [87].
Антенна А может иметь различное исполнение, зависящее от требований к диаграмме направленности и рабочего диапазона частот, например, в виде щелевого или полоскового вибратора, рупорной, диэлектрической стержневой, спиральной антенны или типа «волновой канал» (см. соответственно стр. 115, 149, 218, 239, 260, [89]).Antenna A can have different designs, depending on the requirements for the radiation pattern and the operating frequency range, for example, in the form of a slot or strip vibrator, horn, dielectric rod, spiral antenna or wave channel type (see pages 115, 149, respectively). 218, 239, 260, [89]).
Коммутатор сигналов КС может быть выполнен на микросхеме аналогового переключателя, например, К561КТ3 (см. стр. 229, рис. 2.27, [90]).The KS signal switch can be made on an analog switch chip, for example, K561KT3 (see page 229, Fig. 2.27, [90]).
Смеситель СМ может быть выполнены на полупроводниковых диодах по схеме балансного преобразователя частоты (см. стр. 102, рис. 5.26, [91]).The SM mixer can be made using semiconductor diodes using a balanced frequency converter circuit (see page 102, Fig. 5.26, [91]).
Программируемый блок синхронизации и управления ПБСУ может быть выполнен на базе «жесткой» логики, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или с применением специализированных микросхем и иметь различное функциональное построение. Один из примеров «гибкого» выполнения ПБСУ представлен на структурной схеме фиг. 2. Данная схема является виртуальной, реализована на микросхеме Si5368, содержащей опорный тактовый генератор и два независимых программируемых умножителей/делителей частоты и формирователей импульсов с низким джиттером (дрожанием) фазы выходных колебаний в диапазоне частот от 2 кГц до 1,4 ГГц (см. сайт фирмы Silicon Laboratories: http://www.silabs.com). ПБСУ содержит тактовый генератор ТГ, программируемые умножитель ПУЧ и делитель ПДЧ частоты, а также селекторы импульсов СИ-1 и СИ-2 на три входа. При этом выход тактового генератора ТГ подключен к входам ПУЧ и ПДЧ, а программируемые выходы «а» и «б» ПДЧ и «б» ПУЧ подключены к входам «а», «б» и «в» первого селектора импульсов СИ-1 на три входа и входам «», «б» и «в» второго селектора импульсов СИ-2 на три входа, где вход «» является инвертирующим. Для связи с другими блоками ПБСУ содержит с первого по пятый выводы, которые связаны с программируемыми выходами «а» ПДЧ, «б» ПДЧ, «а» ПУЧ, с выходами первого и второго селекторов импульсов СИ-1 и СИ-2 соответственно. Приемопередающий порт под цифрой 6 ПБСУ связан с выводами программирования микросхемы Si5368 и предназначен для подключения шины команд программирования ШКП для связи с БЦОС.The programmable synchronization and control unit PBSU can be made on the basis of “hard” logic, programmable logic integrated circuits (FPGAs) or using specialized microcircuits and have a different functional structure. One example of a “flexible” implementation of a PBSU is presented in the block diagram of Fig. 2. This circuit is virtual, implemented on a Si5368 chip containing a reference clock generator and two independent programmable frequency multipliers/dividers and pulse shapers with low jitter (jitter) of the phase of output oscillations in the frequency range from 2 kHz to 1.4 GHz (see. Silicon Laboratories website: http://www.silabs.com). The PBSU contains a TG clock generator, a programmable PFC multiplier and a PFC frequency divider, as well as pulse selectors SI-1 and SI-2 for three inputs. In this case, the output of the TG clock generator is connected to the inputs of the PDCH and PDCH, and the programmable outputs “a” and “b” of the PDCH and “b” PDCH are connected to the inputs “a”, “b” and “c” of the first pulse selector SI-1 on three entrances and entrances " ", "b" and "c" of the second pulse selector SI-2 to three inputs, where the input " " is inverting. For communication with other blocks, the PBSU contains the first to fifth outputs, which are connected to the programmable outputs “a” MAP, “b” MAP, “a” PUCH, with the outputs of the first and second pulse selectors SI-1 and SI-2, respectively. The transceiver port numbered 6 of the PBSU is connected to the programming pins of the Si5368 microcircuit and is intended for connecting the ShKP programming command bus for communication with the central control center.
В качестве первого и второго АЦП, выполняющих функции УВХ, предпочтительно использование микросхем быстродействующих АЦП [92,93]. Например, микросхема AD9689 фирмы «Analog Devices» представляет собой двойной 14-разрядный АЦП с интерфейсом JESD204B, быстродействием 2,6 Гбайт/с (см. сайт: https://www.analog.com/ru/products/ad9689.html#product-overview). Этот АЦП способен осуществлять прямую выборку аналоговых сигналов с шириной полосы пропускания по уровню -3 дБ до 9 ГГц. Аналогичные по параметрам АЦП типа DAC38RF82 и DAC38RF89 выпускаются фирмой Texas Instruments.It is preferable to use high-speed ADC microcircuits as the first and second ADCs performing the functions of a digital converter [92,93]. For example, the AD9689 chip from Analog Devices is a dual 14-bit ADC with a JESD204B interface, speed 2.6 GB/s (see website: https://www.analog.com/ru/products/ad9689.html# product-overview). This ADC is capable of direct sampling of analog signals with -3 dB bandwidth up to 9 GHz. ADCs of the DAC38RF82 and DAC38RF89 types with similar parameters are produced by Texas Instruments.
Блок цифровой обработки сигналов БЦОС (см. фиг. 1) не является предметом настоящего изобретения. Он может быть выполнен на основе сигнального процессора, например, контроллера семейства MSP430Х1ХХ [94]. Контроллер содержит: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), хранящее программу обработки сигналов; высокоскоростное вычислительное ядро, выполняющее функции цифровой обработки сигнала (спектральный анализ, цифровую фильтрацию сигнала и формирование данных, индикации); оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выполняющее функции запоминания текущих значений и результатов отработки сигналов; приемопередатчики шин последовательного порта для передачи и обмена информацией по шине команд программирования ШКП с ПБСУ и по шине выходных данных ШВД с конечным потребителем - бортовым компьютером.The DSP digital signal processing unit (see Fig. 1) is not the subject of the present invention. It can be implemented on the basis of a signal processor, for example, a controller of the MSP430Х1ХХ family [94]. The controller contains: read-only memory (ROM) storing the signal processing program; a high-speed computing core that performs the functions of digital signal processing (spectral analysis, digital signal filtering and data generation, indication); random access memory (RAM), which performs the functions of storing current values and signal processing results; Serial port bus transceivers for transmitting and exchanging information via the ShKP programming command bus with the PBSU and via the ShVD output data bus with the end user - the on-board computer.
Необходимо отметить, что в состав предлагаемого устройства могут входить дополнительные или иные элементы, не изменяющие суть изобретения. Например, перед коммутатором сигналов КС может быть установлен обычный или малошумящий широкополосный усилитель, а после смесителя СМ - полосовой усилитель ПЧ (см. стр. 60, рис. 4.3б, [91]).It should be noted that the composition of the proposed device may include additional or other elements that do not change the essence of the invention. For example, a conventional or low-noise broadband amplifier can be installed in front of the CS signal switch, and a bandpass IF amplifier can be installed after the CM mixer (see page 60, Fig. 4.3b, [91]).
Устройство с автодинным приёмопередатчиком для контроля двух зон селекции цели по дальности работает следующим образом.A device with an autodyne transceiver for monitoring two target selection zones by range operates as follows.
После подачи напряжения питания на устройство в БЦОС (см. фиг. 1) в соответствие с алгоритмом его работы вычислительное ядро включает команду «Инициализация» [94], по которой производится настройка периферийных устройств, распределение внутренней памяти, установка значений внутренних переменных, копирование исполняемого кода из низкопроизводительного ПЗУ в высокопроизводительное ОЗУ и подача в ПБСУ по шине ШКП команд, устанавливающих коэффициенты умножения и деления, а также алгоритм формирования сигналов синхронизации и управления.After supplying the supply voltage to the device in the BCOS (see Fig. 1), in accordance with the algorithm of its operation, the computing core includes the “Initialization” command [94], which configures peripheral devices, allocates internal memory, sets the values of internal variables, and copies the executable code from a low-performance ROM to a high-performance RAM and sending commands to the PBSU via the ShKP bus that set the multiplication and division coefficients, as well as the algorithm for generating synchronization and control signals.
После прохождения команд программирования в ПБСУ (см. фиг. 2) производится запуск тактового генератора ТГ. Выходные импульсы ТГ поступают на программируемые делитель ПДЧ и умножитель ПУЧ частоты. На выходе «а» ПДЧ формируются импульсы управления частотой генерации автодина (см. эпюру «а» на фиг. 4), поступающие на первый вывод ПБСУ и на входы «а» и «» первого и второго селекторов импульсов СИ-1 и СИ-2 соответственно. На выходе «б» ПДЧ формируются периодические пары импульсов запуска генерации автодина (см. эпюру «б» на фиг. 4), имеющие длительность , которые поступают на второй вывод ПБСУ и на входы «б» первого и второго селекторов импульсов СИ-1 и СИ-2. На выходе «а» ПУЧ формируются гармонические колебания ПЧ (см. эпюру «в» на фиг. 4), поступающие на третий вывод ПБСУ. На выходе «б» ПУЧ формируются тактовые импульсы для первого и второго АЦП-1 и АЦП-2, которые поступают на входы «в» первого и второго селекторов импульсов СИ-1 и СИ-2. С выходов первого и второго селекторов импульсов СИ-1 и СИ-2 пачки импульсов синхронизации и выборок (см. эпюру «г» на фиг. 4) поступают на четвертый и пятый выводы ПБСУ соответственно.After passing the programming commands in the PBSU (see Fig. 2), the TG clock generator is started. The output pulses of the TG are supplied to a programmable MAP divider and a PFC frequency multiplier. Pulses are generated at the output “a” of the MAP control the autodyne generation frequency (see diagram “ a ” in Fig. 4), arriving at the first output of the PBSU and at the inputs “a” and “ » first and second pulse selectors SI-1 and SI-2, respectively. At output “b” of the MAP, periodic pairs of pulses are formed triggering autodyne generation (see diagram “ b ” in Fig. 4), having a duration , which are supplied to the second output of the PBSU and to inputs “b” of the first and second pulse selectors SI-1 and SI-2. Harmonic oscillations are formed at the output “a” of the PUCH IF (see diagram “ c ” in Fig. 4) arriving at the third output of the PBSU. At the output “b” of the PUCH, clock pulses are generated for the first and second ADC-1 and ADC-2, which are supplied to the inputs “c” of the first and second pulse selectors SI-1 and SI-2. From the outputs of the first and second pulse selectors SI-1 and SI-2, packets of synchronization pulses And samples (see diagram “ d ” in Fig. 4) arrive at the fourth and fifth outputs of the PBSU, respectively.
Как видно из эпюры «а» на фиг. 4, формирование импульсов управления частотой генерации автодина в каждой паре начинается сразу за срезом первого импульса запуска генерации автодина (см. эпюру «б» на фиг. 4) и завершается после среза второго импульса запуска. Данные импульсы с первого вывода ПБСУ (см. фиг. 1) поступают на вход (обозначен цифрой 1) управления частотой автодина. Поэтому возбуждаемые в автодине АД под воздействием генератора импульсов ударного возбуждения ГИУВ радиоимпульсы каждой пары имеют разную частоту генерации. В первом радиоимпульсе пары возбуждаются колебания на частоте , а вторые - на частоте (см. эпюру «д» на фиг. 4). Длительность импульсов управления частотой соответствует времени задержки второго радиоимпульса пары относительно ее первого радиоимпульса. При этом очевидно, что период повторения пар радиоимпульсов для сохранения однозначности определения расстояния до цели должен превышать максимальное время запаздывания отраженного от цели радиоимпульса дальней зоны селекции цели , где - максимальное расстояние до цели дальней зоны селекции; - скорость распространения электромагнитного излучения. Кроме того, исключения паразитных выбросов функции неопределенности и, соответственно, ложных зон селекции целей, следует избегать кратности соотношения периода повторения пар радиоимпульсов и временного интервала между ними. Пачки импульсов синхронизации выборок для первого и второго АЦП-1 и АЦП-2 (см. эпюру «г» на фиг. 4) имеют место только во время формирования первого и второго радиоимпульсов соответственно каждой пары.As can be seen from diagram “ a ” in Fig. 4, pulse shaping control of the autodyne generation frequency in each pair begins immediately after the cutoff of the first pulse autodyne generation starts (see diagram “ b ” in Fig. 4) and ends after the cutoff of the second pulse launch. These pulses from the first output of the PBSU (see Fig. 1) arrive at the input (indicated by number 1) for controlling the autodyne frequency. Therefore, the radio pulses excited in the autodyne IM under the influence of the shock excitation pulse generator GIUV Each pair has a different generation frequency. In the first radio pulse of the pair, oscillations are excited at a frequency , and the second - at frequency (see diagram “ d ” in Fig. 4). Duration impulses frequency control corresponds to delay time the second radio pulse of the pair relative to its first radio pulse. It is obvious that the period repetition of pairs of radio pulses to maintain unambiguity in determining the distance to the target must exceed the maximum delay time radio pulse reflected from the target in the far zone of target selection , Where - maximum distance to the target of the far selection zone; - speed of propagation of electromagnetic radiation. In addition, to eliminate spurious emissions of the uncertainty function and, accordingly, false target selection zones, one should avoid the multiplicity of the period ratio repetition of radio pulse pairs and time interval between them. Synchronization pulse bursts samples for the first and second ADC-1 and ADC-2 (see diagram “ d ” in Fig. 4) take place only during the formation of the first and second radio pulses, respectively, of each pair.
Периодическая некратная последовательность парных импульсов запуска генерации автодина (см. эпюру «б» на фиг. 4) со второго вывода ПБСУ после формирования в ГИУВ импульсов с пикосекундными фронтами поступает на вход (обозначен цифрой 2) запуска АД. Первые в парах импульсы обеспечивают в автодинном генераторе АГ условия возбуждения когерентных колебаний на частоте , например, , определяемой величиной напряжения на варикапе АГ. Формируемые при этом радиоимпульсы генерации (см. эпюру «д» на фиг 4), преобразуются антенной А в электромагнитное излучение, которое в соответствие с ее диаграммой направленности посылается в контролируемое пространство в качестве зондирующего радиосигнала . Выражение для этого радиосигнала имеет вид:Periodic non-multiple sequence of paired pulses starting autodyne generation (see diagram “ b ” in Fig. 4) from the second output of the PBSU, after generating pulses with picosecond edges in the GIUV, goes to the input (indicated by number 2) starting the IM. The first impulses in pairs provide conditions for excitation of coherent oscillations at a frequency in an autodyne generator AG , For example, , determined by the voltage value on varicap AG. The radio pulses generated in this case generation (see diagram “ d ” in Fig. 4), are converted by antenna A into electromagnetic radiation, which, in accordance with its radiation pattern, is sent into the controlled space as a probing radio signal . The expression for this radio signal is:
, (1) , (1)
гдеWhere
- амплитуда зондирующего радиосигнала; - amplitude of the probing radio signal;
- прямоугольная огибающая зондирующего радиосигнала; - rectangular envelope of the probing radio signal;
- круговая частота излучения зондирующего радиосигнала; - circular frequency of the sounding radio signal;
- целое число, коэффициент умножения частоты зондирующего радиосигнала; - integer, frequency multiplication factor of the probing radio signal;
- круговая частота тактового генератора; - circular frequency of the clock generator;
и - длительность зондирующих радиоимпульсов и период их повторения соответственно; And - the duration of the probing radio pulses and their repetition period, respectively;
- начальная фаза -го радиоимпульса, навязанная запускающим импульсом; - initial phase th radio pulse, imposed by the trigger pulse;
- целое число, порядковый номер зондирующего радиоимпульса. - integer, serial number of the probing radio pulse.
После завершения процесса формирования первого (зондирующего) радиоимпульса каждой пары под воздействием подаваемых на варикап импульсов управления частотой (см. эпюру «а» на фиг 4) генерации производится переключение собственной частоты резонансной системы (резонатора) АГ на частоту . Задержанные на время задержки импульсы запуска вторых радиоимпульсов пар обеспечивают в АГ условия возбуждения когерентных колебаний на частоте , например, . Формируемые при этом радиоимпульсы генерации (см. эпюру «д» на фиг 4), также излучаются антенной А в соответствие с ее диаграммой направленности в контролируемое пространство, но не используются в качестве зондирующих сигналов. Эти радиоимпульсы условно назовем приемными , поскольку во время их формирования выполняется прием отраженных от целей в дальней зоне селекции и их выделение устройствами выделения сигналов. Выражение для формируемых в АГ приемных радиоимпульсов имеет вид:After completing the process of forming the first (probing) radio pulse of each pair under the influence of pulses supplied to the varicap frequency control (see diagram “ a ” in Fig. 4) generation, the natural frequency of the resonant system (resonator) of the AG is switched to the frequency . Detained for a while delay pulses triggering the second radio pulses of the pairs provide in the AG the conditions for excitation of coherent oscillations at the frequency , For example, . The radio pulses generated in this case generation (see diagram “ d ” in Fig. 4), are also emitted by antenna A in accordance with its radiation pattern into the controlled space, but are not used as sounding signals. We will conditionally call these radio pulses reception , since during their formation, signals reflected from targets in the far-field selection zone are received and separated by signal extraction devices. The expression for receiving radio pulses generated in the AG has the form:
, (2) , (2)
гдеWhere
- амплитуда приемного радиосигнала; - amplitude of the receiving radio signal;
- единичная функция огибающей приемного радиосигнала; - unit function of the envelope of the receiving radio signal;
- круговая частота излучения приемного радиосигнала; - circular frequency of the receiving radio signal;
- целое число, коэффициент умножения частоты приемного радиосигнала; - integer, multiplication factor of the frequency of the receiving radio signal;
- круговая частота тактового генератора; - circular frequency of the clock generator;
и - длительность радиоимпульсов и период их повторения соответственно; And - the duration of radio pulses and their repetition period, respectively;
- время задержки второго (приемного) радиоимпульса пары относительно первого; - delay time of the second (receiving) radio pulse of the pair relative to the first;
- начальная фаза -го радиоимпульса, навязанная запускающим импульсом; - initial phase th radio pulse, imposed by the trigger pulse;
- целое число, порядковый номер приемного радиоимпульса. - integer, serial number of the receiving radio pulse.
После завершения процесса формирования второго (приемного) радиоимпульса каждой пары, под воздействием подаваемого на варикап импульса управления частотой (см. эпюру «а» на фиг 4) генерации производится переключение собственной частоты резонансной системы (резонатора) АГ на частоту зондирующего радиоимпульса. Частоты зондирующего и приемного радиосигналов отличаются на величину промежуточной частоты (), которая также кратна частоте тактового генератора ТГ, например . На частоте с третьего вывода ПБСУ на гетеродинный вход смесителя СМ поступают гармонические колебания (см. эпюру «в» на фиг. 4) , которые описываются следующим выражением:After completing the process of forming the second (receiving) radio pulse of each pair, under the influence of the pulse supplied to the varicap frequency control (see diagram “ a ” in Fig. 4) generation, the natural frequency of the resonant system (resonator) of the AG is switched to the frequency probing radio pulse. Probe frequencies and reception radio signals differ by the amount intermediate frequency ( ), which is also a multiple of the frequency TG clock generator, for example . At frequency from the third output of the PBSU, harmonic oscillations arrive at the heterodyne input of the SM mixer (see diagram “ c ” in Fig. 4) , which are described by the following expression:
, (3) , (3)
гдеWhere
- амплитуда сигнала промежуточной частоты; - amplitude of the intermediate frequency signal;
- промежуточная частота; - intermediate frequency;
- целое число, коэффициент умножения промежуточной частоты; - integer, intermediate frequency multiplication factor;
- целое число, коэффициент умножения частоты зондирующего радиосигнала; - integer, frequency multiplication factor of the probing radio signal;
- целое число, коэффициент умножения частоты приемного радиосигнала. - integer, multiplication factor of the frequency of the receiving radio signal.
В случае наличия в поле излучения антенны А в ближней и дальней зонах селекции целей (полагаем для простоты, что цели точечные) отраженное от них электромагнитное излучение принимается антенной А, преобразуется в электрические радиосигналы и воздействуют на автодинный генератор АД. (см. эпюру «е» на фиг. 4). Выражение для этих радиосигналов запишем в виде:If there is antenna A in the radiation field in the near and far zones of target selection (we assume for simplicity that the targets are point targets), the electromagnetic radiation reflected from them is received by antenna A, converted into electrical radio signals and affects the autodyne generator of the IM. (see diagram “ e ” in Fig. 4). We write the expression for these radio signals in the form:
, (4) , (4)
, (5) , (5)
гдеWhere
- амплитуда зондирующего радиосигнала; - amplitude of the probing radio signal;
- безразмерные коэффициенты ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до ближней (первой) и дальней (второй) целей соответственно и обратно, приведенные к порту антенны А; - dimensionless attenuation coefficients of the amplitude of the emitted signal along the propagation path to the near (first) and distant (second) targets, respectively, and back, reduced to antenna port A;
, - времена запаздывания отраженного излучения от ближней (первой) и дальней (второй) целей, в общем случае переменные; , - delay times of reflected radiation from near (first) and distant (second) targets, in the general case variable;
, - текущие расстояния до ближней (первой) и дальней (второй) целей, в общем случае переменные; , - current distances to the near (first) and distant (second) targets, in the general case variable;
- скорость распространения радиоволн; - speed of propagation of radio waves;
- начальная фаза -го радиоимпульса, навязанная запускающим импульсом; - initial phase th radio pulse, imposed by the trigger pulse;
- целое число; - integer;
, - фазовый сдвиг, связанный с отражающими свойствами ближней (первой) и дальней (второй) целей соответственно; , - phase shift associated with the reflective properties of the near (first) and distant (second) targets, respectively;
- средняя мощность зондирующего радиоимпульса; - average power of the probing radio pulse;
- минимальный обнаруживаемый (пороговый) сигнал; - minimum detectable (threshold) signal;
- коэффициент усиления антенны А; - antenna gain A;
- длина волны излучения; - radiation wavelength;
, - эффективные площади рассеяния ближней (первой) и дальней (второй) целей; , - effective scattering areas of near (first) and long-range (second) targets;
- единичные функции для огибающих отраженных сигналов от ближней (первой) и дальней (второй) целей соответственно. - unit functions for envelopes of reflected signals from near (first) and distant (second) targets, respectively.
При воздействии отраженных от целей радиосигналов на автодинный генератор АГ происходит «смешение» колебаний принятых антенной А радиоимпульсов с собственными колебаниями АГ и их нелинейное взаимодействие. Это взаимодействие вызывает в АГ автодинный эффект, который в зависимости от начальных условий проявляется по-разному.When radio signals reflected from targets are exposed to the autodyne generator AG, the oscillations of the radio pulses received by antenna A are “mixed” with the natural oscillations of the AG and their nonlinear interaction occurs. This interaction causes an autodyne effect in AG, which manifests itself differently depending on the initial conditions.
В случае приема радиосигнала, отраженного от цели, находящейся в ближней зоне селекции, этот радиосигнал взаимодействует с собственными колебаниями АГ во время излучения зондирующего радиоимпульса, когда время запаздывания отражённого радиосигнала меньше длительности зондирующих радиоимпульсов () [57]. В этом случае, вследствие взаимной когерентности взаимодействующих колебаний, автодинный отклик АГ проявляется в формировании автодинного сигнала в виде видеоимпульсов длительностью в цепи питания автодинного генератора и/или на выходе амплитудного детектора, подключенного к колебательной системе автодина. Мгновенное значение амплитуды этих видеоимпульсов определяется разностью фаз излученных и отраженных радиосигналов.In the case of receiving a radio signal reflected from a target located in the near selection zone, this radio signal interacts with the natural oscillations of the AG during the emission of the probing radio pulse, when the time the delay of the reflected radio signal is less than the duration sounding radio pulses ( ) [57]. In this case, due to the mutual coherence of interacting oscillations, the autodyne response of the AG manifests itself in the formation of an autodyne signal in the form of video pulses with a duration in the power circuit of the autodyne generator and/or at the output of the amplitude detector connected to the oscillatory system of the autodyne. The instantaneous amplitude of these video pulses is determined by the phase difference between the emitted and reflected radio signals.
Выделяемый в цепи питания (см. фиг. 3а) или посредством детекторного диода (см. фиг. 3б) преобразованный автодином сигнал АД (см. левую эпюру «ж» на фиг. 4) описывается следующим выражением:The autodyne-converted signal released in the power circuit (see Fig. 3 a ) or through a detector diode (see Fig. 3 b ) Blood pressure (see left diagram “g” in Fig. 4) is described by the following expression:
, (6) , (6)
гдеWhere
- амплитуда принятого от ближней цели радиосигнала; - amplitude of the radio signal received from a nearby target;
- безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до ближней (первой) целей и обратно, приведенный к порту антенны А; - dimensionless attenuation coefficient of the amplitude of the emitted signal along the propagation path to the near (first) targets and back, reduced to antenna port A;
- коэффициент автодинного усиления АД, характеризующий передачу отраженного от цели сигнала в сигнал РЧ на выходе АД; - autodyne gain coefficient of the AD, characterizing the transmission of the signal reflected from the target into the RF signal at the output of the AD;
- единичная функция преобразованного сигнала, полученного от цели в ближней зоне селекции по дальности; - unit function of the converted signal received from the target in the near range selection zone;
- набег фазы зондирующего излучения при его распространении до цели в ближней зоне селекции и обратно; - phase shift of the probing radiation as it propagates to the target in the near selection zone and back;
- начальная фаза преобразованного сигнала; - initial phase of the converted signal;
- время запаздывания отраженного излучения от цели в ближней зоне селекции; - delay time of reflected radiation from the target in the near selection zone;
- текущее расстояние до цели в ближней зоне селекции; - current distance to the target in the near selection zone;
- длительность зондирующих и приемных радиоимпульсов; - duration of probing and receiving radio pulses;
- период повторения спаренных радиоимпульсов; - repetition period of paired radio pulses;
- временной интервал между первым и вторым зондирующими радиоимпульсами пары; - time interval between the first and second probing radio pulses of the pair;
- шум автодинного генератора АГ, преобразованный на его выход. - noise of the autodyne generator AG, converted to its output.
В случае приема радиосигнала, отраженного от цели, находящейся в дальней зоне селекции, этот радиосигнал на частоте взаимодействует с собственными колебаниями АГ на частоте . В этом случае автодинный эффект в зависимости от соотношения величины разности частот и полуширины полосы синхронизации АГ проявляется по-разному (см. стр. 13-24, [63]).In the case of receiving a radio signal reflected from a target located in the far selection zone, this radio signal at a frequency interacts with the natural oscillations of the AG at a frequency . In this case, the autodyne effect, depending on the ratio of the magnitude of the frequency difference and half-bandwidth synchronization of hypertension manifests itself in different ways (see pp. 13-24, [63]).
Величина полуширины полосы синхронизации АГ, как известно (см. стр. 257-262, формулу (5.73), [95]), определяется внутренними параметрами генератора и относительным уровнем воздействующего сигнала:Bandwidth half-width AG synchronization, as is known (see pp. 257-262, formula (5.73), [95]), is determined by the internal parameters of the generator and the relative level of the influencing signal:
, (7) , (7)
гдеWhere
- полуширина полосы синхронизации генератора; - half-width of the generator synchronization band;
- безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до дальней (второй) цели и обратно, приведенный к порту антенны А; - dimensionless attenuation coefficient of the amplitude of the emitted signal along the propagation path to the distant (second) target and back, reduced to antenna port A;
- круговая частота излучения второго радиоимпульса пары; - circular frequency of radiation of the second radio pulse of the pair;
- внешняя добротность колебательной системы ВЧ генератора; - external quality factor of the oscillatory system of the HF generator;
- угол между линией прибора (активного элемента) генератора и его линией годографа импеданса колебательной системы и нагрузки (см. рис. 5.16, стр. 260, [95]); - the angle between the line of the device (active element) of the generator and its hodograph line of the impedance of the oscillatory system and load (see Fig. 5.16, p. 260, [95]);
- коэффициент неизохронности генератора. - generator non-isochronism coefficient.
В результате расчета полуширины полосы синхронизации по формуле (7) при на частоте , и получаем , т.е. 2 МГц.As a result of calculating the half-width of the synchronization band according to formula (7) at at frequency , And we get , i.e. 2 MHz.
Если выбрать промежуточную частоту в пределах полуширины полосы синхронизации , то происходит захват частоты ВЧ генератора воздействующим сигналом и процесс преобразования частоты отсутствует. В случае выполнения неравенства в ВЧ генераторе наблюдается режим биений, который сопровождается амплитудно-частотной модуляцией колебаний генератора и значительными нелинейными искажениями автодинного сигнала [96]. В случае выполнения сильного неравенства в АГ наблюдаются квазигармонические изменения (биения) амплитуды и частоты колебаний, а также среднего значения тока и/или напряжения в цепи питания АГ с разностной частотой . Проявление автодинного эффекта в этом случае напоминает явление преобразования частоты в обычных смесителях, поэтому автодины, в которых используется этот эффект называются автодинными преобразователями частоты, или, просто, автодинными (генерирующими) смесителями (Self oscillating mixer) [96-98]. Очевидно, что последнему условию удовлетворяет выбор промежуточной частоты порядка , то есть 300 МГц. Улучшению «линейности» преобразования частоты способствует стабилизация частоты АГ посредством, например, применения в генераторе дополнительного высокодобротного резонатора, собственная частота которого управляется при помощи регулируемой емкости варакторного диода, варикапа или посредством переключаемых p-i-n-диодов (см. рис. 25, [99]; стр. 120-129, [100]).If you select intermediate frequency within half the synchronization bandwidth , then the RF generator frequency is captured by the influencing signal and the frequency conversion process is absent. If the inequality In the HF generator, a beating mode is observed, which is accompanied by amplitude-frequency modulation of the generator oscillations and significant nonlinear distortions of the autodyne signal [96]. If the strong inequality holds in the AG there are quasi-harmonic changes (beats) in the amplitude and frequency of oscillations, as well as the average value of current and/or voltage in the AG power circuit with a difference frequency . The manifestation of the autodyne effect in this case resembles the phenomenon of frequency conversion in conventional mixers, therefore autodynes that use this effect are called autodyne frequency converters, or, simply, self-oscillating mixers [96-98]. Obviously, the last condition is satisfied by the choice of an intermediate frequency of the order , that is, 300 MHz. Improving the “linearity” of frequency conversion is facilitated by stabilizing the frequency of the AG through, for example, the use of an additional high-quality resonator in the generator, the natural frequency of which is controlled using the adjustable capacitance of a varactor diode, a varicap, or by means of switchable pin diodes (see Fig. 25, [99]; pp. 120-129, [100]).
Выделяемый в цепи питания (см. фиг. 3а) или посредством детекторного диода (см. фиг. 3б) преобразованный сигнал АД (см. правую эпюру «ж» на фиг. 4) на разностной частоте описывается следующим выражением:The converted signal released in the power circuit (see Fig. 3 a ) or through a detector diode (see Fig. 3 b ) The blood pressure (see the right diagram “g” in Fig. 4) at the difference frequency is described by the following expression:
, (8) , (8)
гдеWhere
- амплитуда принятого радиосигнала от цели в дальней зоне; - amplitude of the received radio signal from a target in the far zone;
- безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до дальней (второй) цели и обратно, приведенный к порту антенны А; - dimensionless attenuation coefficient of the amplitude of the emitted signal along the propagation path to the distant (second) target and back, reduced to antenna port A;
- коэффициент автодинного усиления АД, характеризующий передачу отраженного от цели сигнала в сигнал РЧ на выходе АД; - autodyne gain coefficient of the AD, characterizing the transmission of the signal reflected from the target into the RF signal at the output of the AD;
- единичная функция преобразованного сигнала, полученного от цели в дальней зоне селекции; - unit function of the converted signal received from the target in the far selection zone;
- набег фазы зондирующего излучения при его распространении до цели в дальней зоне селекции и обратно; - phase shift of the probing radiation as it propagates to the target in the far selection zone and back;
- начальная фаза преобразованного сигнала; - initial phase of the converted signal;
- разностная, в данном случае промежуточная частота преобразованного сигнала АД; - difference, in this case, intermediate frequency of the converted AD signal;
- время запаздывания отраженного излучения от цели в дальней зоне селекции; - delay time of reflected radiation from the target in the far selection zone;
- текущее расстояние до цели в дальней зоне селекции; - current distance to the target in the far selection zone;
- длительность зондирующих и приемных радиоимпульсов; - duration of probing and receiving radio pulses;
- период повторения спаренных радиоимпульсов; - repetition period of paired radio pulses;
- временной интервал между первым и вторым зондирующими радиоимпульсами пары. - time interval between the first and second probing radio pulses of the pair.
Полученный на третьем выводе АД преобразованный сигнал (6) от цели в ближней зоне в виде видеоимпульсов и сигнал (8) от цели в дальней зоне в виде радиоимпульсов на ПЧ разнесены по времени (см. эпюру «ж» на фиг. 4). Поэтому для разделения этих сигналов в предлагаемом устройстве служит коммутатор сигналов КС (см. фиг. 1), управляемый импульсами управления частотой генерации автодина (см. эпюру «а» на фиг. 4).The converted signal (6) from the target in the near zone in the form of video pulses and the signal (8) from the target in the far zone in the form of radio pulses on the IF, received at the third output of the IF, are separated in time (see diagram “g” in Fig. 4). Therefore, to separate these signals, the proposed device uses a signal switch KS (see Fig. 1), controlled by pulses control of the autodyne generation frequency (see diagram “ a ” in Fig. 4).
В случае приема сигнала от цели в ближней зоне селекции коммутатор через второй выход КС направляет сигнал на сигнальный вход второго АЦП-2.If a signal is received from a target in the near selection zone, the switch sends the signal through the second output of the CS to the signal input of the second ADC-2.
В случае приема сигнала от цели в дальней зоне селекции коммутатор КС через первый выход направляет сигнал в виде радиоимпульса ПЧ на сигнальный вход смесителя СМ, где в результате нелинейного взаимодействия сигналов РЧ (8) и опорных (3) колебаний ПЧ происходит преобразование сигналов в область низких доплеровских частот. При этом на выходе смесителя СМ сигналы (см. эпюру «з» на фиг. 4) формируются в виде видеоимпульсов, которые далее поступают на сигнальный вход АЦП-1. Выражение, полученное для этих видеоимпульсов, имеет вид:In the case of receiving a signal from a target in the far selection zone, the KS switch, through the first output, sends a signal in the form of an IF radio pulse to the signal input of the SM mixer, where, as a result of the nonlinear interaction of RF signals (8) and reference (3) IF oscillations, the signals are converted to the low region Doppler frequencies. In this case, at the output of the mixer CM signals (see diagram “ z ” in Fig. 4) are formed in the form of video pulses, which are then supplied to the signal input of the ADC-1. The expression obtained for these video pulses has the form:
, (9) , (9)
гдеWhere
- множитель амплитуды выходных сигналов смесителя СМ; - amplitude multiplier of the output signals of the SM mixer;
- коэффициент преобразования смесителя СМ; - conversion coefficient of the mixer SM;
- единичная функция преобразованного сигнала на выходе смесителя СМ; - unit function of the converted signal at the output of the SM mixer;
- собственные шумы смесителя и автодинного генератора АГ, преобразованные на выход смесителя СМ. - own noise of the mixer and autodyne generator AG, converted to the output of the mixer SM.
Первые слагаемые в (6) и (9), представляющие результат преобразования отраженного сигнала в автодине АД и совокупности автодина и смесителя СМ, содержат информацию о дальности до целей и скорости их движения. При этом для реально существующих скоростей движения целей справедливо условие, что за время действия зондирующего радиоимпульса расстояние между антенной А и целями практически не изменится. Тогда согласно (6) и (9) полученные видеоимпульсы остаются в течение их формирования практически постоянными (см. эпюры «ж» и «з» на фиг. 4). Поэтому выглядят они в форме прямоугольных функций времени (верхняя «полка» их не изменяется), при этом «высота» видеоимпульсов пропорциональна уровню отраженного сигнала, а знак (вверх или вниз) их зависит от текущей разности фаз излученного автодином и отраженного от цели колебаний. При относительном перемещении цели мгновенные изменения высоты видеоимпульсов происходят с доплеровской частотой [57]. При условии равномерного и прямолинейного движения цели во времени t набег фазы в (6) и (9) имеет видThe first terms in (6) and (9), representing the result of the transformation of the reflected signal in the autodyne AD and the combination of the autodyne and the SM mixer, contain information about the range to targets and the speed of their movement. At the same time, for real-life speeds of target movement, the condition is true that during the time Under the influence of the probing radio pulse, the distance between antenna A and the targets will practically not change. Then, according to (6) and (9), the received video pulses remain practically constant during their formation (see diagrams “g” and “h” in Fig. 4). Therefore, they look in the form of rectangular functions of time (their upper “shelf” does not change), while the “height” of the video pulses is proportional to the level of the reflected signal, and their sign (up or down) depends on the current phase difference of the oscillations emitted by the autodyne and the oscillations reflected from the target. With relative movement of the target, instantaneous changes in the height of video pulses occur at the Doppler frequency [57]. Under the condition of uniform and rectilinear motion of the target in time t, the phase incursion in (6) and (9) has the form
, (10) , (10)
, (11) , (eleven)
гдеWhere
, - начальные фазовые сдвиги, которые определяются положением целей в момент времени ; , - initial phase shifts, which are determined by the position of targets at a moment in time ;
, - частоты Доплера для первой (в ближней зоне) и второй (в дальней зоне) целей соответственно; , - Doppler frequencies for the first (near-field) and second (far-field) targets, respectively;
, - относительные радиальные скорости первой (в ближней зоне) и второй (в дальней зоне) целей относительно СБРЛ. , - relative radial velocities of the first (in the near zone) and second (in the far zone) targets relative to the SBRL.
С учетом (10) и (11) выражения (6) и (9) при сохранении всех принятых выше обозначений имеют вид:Taking into account (10) and (11), expressions (6) and (9) while maintaining all the notations adopted above have the form:
, (12) , (12)
. (13) . (13)
Вторые слагаемые и в (12) и (13), как отмечалось выше, отображают результат преобразования собственных шумов автодинного генератора АГ и смесителя СМ. Присутствие этих шумов выражается в шумовой модуляции высоты видеоимпульсов. При этом необходимо отметить, что шумовые составляющие и представляют собой независимые стационарные нормальные процессы с нулевым средним значением. Взаимная корреляция этих составляющих отсутствует. Кроме того, благодаря значительному разносу частот первого в паре (зондирующего) и второго (приемного) радиоимпульсов влияние фликкерных флуктуаций генератора и шумов смесителя пренебрежимо мало при приеме сигналов от цели дальней зоны селекции.Second terms And in (12) and (13), as noted above, reflect the result of converting the intrinsic noise of the autodyne generator AG and the mixer SM. The presence of these noises is expressed in noise modulation of the height of the video pulses. It should be noted that the noise components And represent independent stationary normal processes with zero mean value. There is no mutual correlation between these components. In addition, due to the significant frequency difference the first in a pair (probing) and the second (receiving) radio pulses, the influence of flicker fluctuations of the generator and mixer noise is negligible when receiving signals from a target in the far selection zone.
При приеме отраженных сигналов от цели в ближней зоне этот сигнал воздействует на ВЧ генератор во время формирования первого зондирующего радиоимпульса. В этом случае неизбежно присутствие в сигнале наряду с «белым» шумом фликкерных флуктуаций ВЧ генератора. Спектральное распределение последних обратно пропорционально частоте, что ограничивает дальность действия СБРЛ при малых скоростях движения цели. Однако в этом случае отраженный сигнал от цели принимается в ближней зоне селекции, где он является достаточно сильным и указанное ограничение не имеет значения.When receiving reflected signals from a target in the near zone, this signal acts on the RF generator during the formation of the first probing radio pulse. In this case, the presence in the signal, along with “white” noise, of flicker fluctuations of the RF generator is inevitable. The spectral distribution of the latter is inversely proportional to frequency, which limits the range of the SBRL at low target speeds. However, in this case, the reflected signal from the target is received in the near selection zone, where it is strong enough and the specified limitation does not matter.
С выхода смесителя СМ (см. фиг. 1) видеоимпульсы с составляющими шума далее поступают на сигнальный вход АЦП-1. Во время действия импульсов выборки (см. диаграмму «г» на фиг. 4) в АЦП-1 и АЦП-2 происходит выборка и запоминание мгновенных значений сигналов (12) и (13) в виде импульсов, амплитуда которых равна мгновенным значениям этих сигналов (см. диаграммы «ж» и «з» на фиг. 4). Уровни этих импульсов далее в АЦП-1 и АЦП-2 преобразуются в цифровые значения, которые в виде параллельного кода поступают в ОЗУ БЦОС в качестве массивов данных, полученных для принятого сигнала от -го зондирующего радиоимпульса:From the output of the SM mixer (see Fig. 1), video pulses with noise components are then fed to the signal input of the ADC-1. During sampling pulses (see diagram “ d ” in Fig. 4) in ADC-1 and ADC-2, the instantaneous values of signals (12) and (13) are sampled and stored in the form of pulses, the amplitude of which is equal to the instantaneous values of these signals (see diagrams “ g" and "h" in Fig. 4). The levels of these pulses are further converted into digital values in ADC-1 and ADC-2, which, in the form of parallel code, enter the RAM of the DBSP as data arrays received for the received signal from -th probing radio pulse:
, (14) , (14)
, (15) , (15)
гдеWhere
, - цифровые отсчеты мгновенных значений принятого сигнала от -го зондирующего радиоимпульса, полученные для -го тактового импульса (здесь ) для целей, находящихся в ближней и дальней зонах селекции соответственно; , - digital samples of instantaneous values of the received signal from th probing radio pulse received for th clock pulse (here ) for targets located in the near and far selection zones, respectively;
- число отсчетов за время . - number of samples per time .
При этом шумовые составляющие и в результате дискретизации и оцифровки мгновенных значений отсчетов вследствие эргодичности процессов в среднем по реализациям и отсчетам сохраняют свое среднеквадратическое значение уровня шума в массивах данных (14) и (15) Значение уровня шума может быть рассчитано или измерено экспериментально и учтено в программе работы БЦОС.At the same time, the noise components And as a result of discretization and digitization of instantaneous sample values due to the ergodicity of processes on average for implementations and counts retain their RMS noise level in data sets (14) and (15) Noise level value can be calculated or measured experimentally and taken into account in the work program of the BTsOS.
Обработка полученных данных в массивах (14) и (15) БЦОС позволяет по значениям мгновенных отсчетов рассчитать амплитуду отраженного сигнала, а также его отношение сигнал/шум и решить задачу обнаружения цели на заданных дальностях. По величине временной задержки между парными радиоимпульсами определяется расстояние до цели, а по значениям изменения фазы и ее знака отраженного сигнала - скорость (по частоте Доплера) движения цели. Текущие результаты обработки сигналов через шинный приемопередатчик БЦОС с заданным темпом передаются по шине ШВД конечному потребителю.Processing the received data in arrays (14) and (15) of the BTsOS allows one to calculate the amplitude of the reflected signal, as well as its signal-to-noise ratio, from the values of instantaneous samples and solve the problem of target detection at given ranges. The distance to the target is determined by the time delay between paired radio pulses, and the speed (based on the Doppler frequency) of the target’s movement is determined by the changes in the phase and its sign of the reflected signal. The current results of signal processing are transmitted via the bus transceiver BTsOS at a given rate via the SHVD bus to the end user.
Предлагаемый способ и устройство были реализованы в виде действующего макета СБРЛ 8-мм диапазона, выполненного на основе автодинного генератора на диоде Ганна с выделением сигнала по изменению амплитуды колебаний посредством диода Шоттки, установленного в резонатор генераторной камеры. Запуск генератора осуществлялся по цепи питания парными импульсами напряжения амплитудой 4,5 В, имеющих фронт не более 0,1 нс, период повторения 5 мкс, длительность 40 нс. Время задержки между радиоимпульсами изменялось в пределах от 40 до 1000 нс. Число отсчетов за время излучения радиоимпульса (частота импульсов выборки ГГц). При этом разрешающая способность СБРЛ по дальности составила м. Ближняя зона селекции составила от 0 до 6 м. Дальняя зона селекции шириной 6 м изменялось в пределах от 6 до 150 м. Результаты лабораторных исследований образца показали, что потенциал СБРЛ в полосе доплеровских частот кГц составляет дБ. Испытания макетного образца на открытой площадке с уголковыми отражателями и легковым автомобилем подтвердили работоспособность устройства в соответствие с заявляемым способом импульсно-доплеровской радиолокации.The proposed method and device were implemented in the form of a working prototype of an 8-mm range SBRL, made on the basis of an autodyne oscillator based on a Gunn diode with signal extraction based on a change in the oscillation amplitude through a Schottky diode installed in the resonator of the generator chamber. The generator was started via the power circuit by paired voltage pulses with an amplitude of 4.5 V, with a rise of no more than 0.1 ns, a repetition period of 5 μs, and a duration of 40 ns. The delay time between radio pulses varied from 40 to 1000 ns. Number of samples during radio pulse emission (sampling pulse frequency GHz). At the same time, the range resolution of the SBRL was m. The near selection zone ranged from 0 to 6 m. The far selection zone, 6 m wide, varied from 6 to 150 m. The results of laboratory studies of the sample showed that the potential of the SBRL in the Doppler frequency band kHz is dB. Tests of a prototype in an open area with corner reflectors and a passenger car confirmed the performance of the device in accordance with the proposed pulse-Doppler radar method.
Таким образом, показана осуществимость предлагаемого устройства в СБРЛ, предназначенных для обнаружения целей в ближней и дальней зонах селекции и определения параметров их движения, в том числе в системах для предупреждения столкновений транспортных средств.Thus, the feasibility of the proposed device in SBRLs designed to detect targets in near and far selection zones and determine the parameters of their movement, including in systems for preventing collisions of vehicles, is shown.
Claims (9)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2822284C1 true RU2822284C1 (en) | 2024-07-03 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0499706A2 (en) * | 1991-02-18 | 1992-08-26 | Dornier Gmbh | A transmitting and receiving part of a pulse doppler radar |
| US5864313A (en) * | 1995-04-06 | 1999-01-26 | Dornier Gmbh | Process for determining the intermediate frequency deviation in frequency pulsed radar systems |
| US6587072B1 (en) * | 2002-03-22 | 2003-07-01 | M/A-Com, Inc. | Pulse radar detection system |
| RU2239845C2 (en) * | 2002-07-22 | 2004-11-10 | Кошуринов Евгений Иванович | Method and system for radar measurement of speeds and co-ordinates of objects (modifications) |
| RU2755202C1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-09-14 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" | Autodyne-based pulse location device |
| RU2779887C1 (en) * | 2021-07-19 | 2022-09-14 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Autodyne transceiver for short-range radio location systems |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0499706A2 (en) * | 1991-02-18 | 1992-08-26 | Dornier Gmbh | A transmitting and receiving part of a pulse doppler radar |
| US5864313A (en) * | 1995-04-06 | 1999-01-26 | Dornier Gmbh | Process for determining the intermediate frequency deviation in frequency pulsed radar systems |
| US6587072B1 (en) * | 2002-03-22 | 2003-07-01 | M/A-Com, Inc. | Pulse radar detection system |
| RU2239845C2 (en) * | 2002-07-22 | 2004-11-10 | Кошуринов Евгений Иванович | Method and system for radar measurement of speeds and co-ordinates of objects (modifications) |
| RU2755202C1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-09-14 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" | Autodyne-based pulse location device |
| RU2779887C1 (en) * | 2021-07-19 | 2022-09-14 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Autodyne transceiver for short-range radio location systems |
| RU2783402C1 (en) * | 2021-10-27 | 2022-11-14 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Method for processing radar signals for detecting targets and measuring their motion parameters in the selection zone and a radar sensor implementing it |
| RU2803413C1 (en) * | 2023-01-26 | 2023-09-12 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Method of pulse-doppler radiolocation and device with autodyne transmitter for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7148840B2 (en) | Radar apparatus, radar apparatus controlling method | |
| US6147638A (en) | Method for operating a radar system | |
| EP1757953B1 (en) | FM-CW radar system | |
| US8866668B2 (en) | Radar apparatus with different operation modes | |
| US8031106B2 (en) | Object ranging | |
| US8947647B2 (en) | Range-resolved vibration using large time-bandwidth product LADAR waveforms | |
| US10763783B2 (en) | Bandwidth adjustment in a phase-locked loop of a local oscillator | |
| CN103608694A (en) | Analog baseband circuit for terahertz phased array system | |
| US8115673B1 (en) | Self-oscillating UWB emitter-detector | |
| US20230082258A1 (en) | Radar measuring device and method with dual radar signal generation | |
| US4065768A (en) | Radar apparatus | |
| RU2822284C1 (en) | Method of pulse-doppler radar and device with autodyne transceiver for monitoring two zones of target selection by range | |
| JP2003028949A (en) | Transmitting-receiving apparatus and radar apparatus | |
| RU2803413C1 (en) | Method of pulse-doppler radiolocation and device with autodyne transmitter for its implementation | |
| RU2510685C2 (en) | Synthetic-aperture and quasicontinuous radiation radar station | |
| WO1998004930A1 (en) | Low cost - high resolution radar for commercial and industrial applications | |
| RU2695799C1 (en) | Method of determining location parameters of location objects in radar sensors with frequency manipulation of continuous radiation of radio waves and a device for its realizing | |
| RU2787976C1 (en) | Transceiver apparatus of a homodyne radar | |
| RU2362180C2 (en) | Short-range radiolocator with ultra high resolution (versions) | |
| RU2533198C1 (en) | Method of controlling radar station resolution | |
| RU2608637C1 (en) | Digital active phased antenna array | |
| RU2392704C1 (en) | Method of increasing broadbandness of transceiving module of phased antenna array using signal generation through direct digital synthesis, and embodiments thereof | |
| RU2755518C1 (en) | Radar station | |
| RU194328U1 (en) | SATELLITE RADIO ALTIMETER | |
| Ali et al. | Design and implementation of FMCW radar using the raspberry Pi single board computer |