CC BY
27
ш
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-4-36-46 УДК 621.396.962.25
Радиолокационные датчики высоты трехмиллиметрового диапазона длин волн
М. А. Аникушин, В. В. Власов, А. В. Трифонов
Публичное акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Российская Федерация
Рассмотрены особенности проектирования радиолокационных датчиков высоты трехмиллиметрового диапазона длин волн на основе отечественных сверхвысокочастотных модулей М55323, М55328. Приведены отдельные результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: частотная модуляция, энергетический потенциал, дальность действия, подстилающая поверхность
Для цитирования: Аникушин М. А., Власов В. В., Трифонов А. В. Радиолокационные датчики высоты трехмиллиметрового диапазона длин волн // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2021. № 4. С. 36-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-4-36-46
For citation: Anikushin M. A., Vlasov V. V., Trifonov A. V. 3-mm wavelength range radar altitude sensors // Vest-nik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2021. No. 4. P. 36-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2021-4-36-46
Поступила 20.08.2021 Отрецензирована 24.09.2021 Одобрена 13.10.2021 Опубликована 27.12.2021
Введение
В оборонной промышленности широко ис-
0 пользуются датчики высоты (ДВ), задачей ко-тг торых является выдача сигнала на какое-либо ^ исполнительное устройство на определенной
высоте.
£ В настоящее время в качестве ДВ на вы-
<1
7 сотах порядка единиц и десятков метров часто | используются лазерные устройства, посколь-^ ку они достаточно просты, обладают высокой Ф помехозащищенностью по отношению к ист кусственным и активным помехам и могут ра-х ботать при больших скоростях движения ДВ. ^ В то же время им присущ ряд недостатков, ко-
1
о торые перечислены ниже.
| 1. При изготовлении лазерных ДВ тре-
ь буется прецизионная настройка и регулировка о
оз оптической системы, что снижает технологич-
™ ность и повышает цену изделия. ю
с?
см ■ч-
ю _
см
ю © Аникушин М. А., Власов В. В., Трифонов А. В.,
— 2021
2. Лазерные ДВ не работают по водной поверхности.
3. Лазерные ДВ не всепогодны. Наиболее опасными для лазерных ДВ являются пассивные естественные помехи: облака, туманы, дождь, снег, дым, пыль, солнечная засветка. При работе в этих условиях имеется определенная вероятность получения отказов за счет затухания сигнала, а также ложных срабатываний.
В связи с этим встает вопрос о разработке альтернативного ДВ, лишенного указанных недостатков. В качестве такового может рассматриваться радиолокационный ДВ трехмиллиметрового диапазона длин волн.
Для измерения расстояния до подстилающей поверхности (ПП) на сравнительно небольших высотах служат системы ближней радиолокации (СБРЛ) с непрерывным излучением частотно-модулированного (ЧМ) сигнала, которые по сравнению с СБРЛ, где используется импульсное излучение сигнала, имеют ряд преимуществ.
Разрешающая способность по дальности СБРЛ с импульсным излучением сигнала тем выше, чем меньше длительность зондирующего импульса. Работа с очень малым по длительности излучаемым импульсом достаточной мощности требует тщательной конструктивной проработки изделия и связана с большими трудностями в части минимизации влияния паразитных элементов конструкции. При этом СБРЛ становится крайне сложной в настройке и дорогой.
ЧМ СБРЛ могут обеспечить очень высокую точность измерения весьма малых расстояний до ПП, используя определенный математический алгоритм вычислений без существенных аппаратных затрат.
Целью настоящей работы является оценка и анализ возможных способов реализации ДВ на основе малогабаритных приемо-переда-ющих сверхвысокочастотных (СВЧ) модулей М55323 и М55328 гомодинного типа.
Ниже в таблице приведены основные технические параметры рассматриваемых модулей.
В этих модулях применяется непрерывное ЧМ излучение, а гетеродинным сигналом является часть излучаемого сигнала. Использование одной приемо-передающей антенны значительно упрощает построение схемы обработки принятого сигнала и в целом повышает надежность ДВ.
В миллиметровом диапазоне длин волн на выходе смесителя приемного тракта ДВ с ЧМ присутствуют гармоники паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), амплитуда которых превышает амплитуду гармоник спектра полезного сигнала на 60-70 дБ. Данное
обстоятельство, а также высокие значения частоты Доплера при возможных больших скоростях ДВ накладывают ограничения в выборе способов обработки принимаемого сигнала. В результате всесторонней проработки возможных вариантов построения ДВ с учетом указанных выше особенностей наиболее подходящими для решения поставленной задачи оказались, по нашему мнению, всего два способа обработки принимаемого сигнала. При этом основным критерием при переборе различных вариантов являлись простота и надежность реализуемого ДВ.
Основная часть
Зависимость амплитуд гармоник спектра преобразованного сигнала на выходе СВЧ-модуля от высоты определяется законом модуляции излучаемого сигнала и уровнем отраженного сигнала. Наиболее ярко эта зависимость проявляется в случае модуляции по закону несимметричной пилообразной функции. В первом способе обработки сигнала, который называется спектральным, как раз используется такая модуляция. Ниже приводится его описание.
Как известно, спектр принятого и преобразованного сигнала состоит из множества гармоник, кратных частоте модуляции. При движении ДВ спектр преобразованного сигнала как бы «рассыпается»: вместо одной гармоники появляется пара гармоник, каждая из которых на оси частот отстоит на величину частоты Доплера вправо и влево от £-той гармоники спектра неподвижного ДВ. В случае симметричной модулирующей функции амплитуды каждой из пар гармоник одинаковы.
Таблица
Основные технические параметры СВЧ-модулей
Тип модуля М55323 М55328
Рабочая частота, ГГц 94,00 ± 0,75 В соответствии с заданием на изделие специального применения
Диапазон перестройки частоты генератора, МГц >80 >300
Крутизна электрической перестройки частоты, МГц/В 20 ± 5 40-100
Выходная мощность, мВт >1 3-10
Диапазон выходных частот, МГц 0,05-1 0,1-30
Энергетический потенциал, дБ >94 >135
Питание, В 5,0 ± 0,1 6,0 ± 0,5
Ток потребления, А <0,8 <0,75
см о см
< I
со та
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
В случае же модуляции по закону несимметричной пилообразной функции амплитуды гармоник в каждой паре существенно разнятся. При этом, если «пила» имеет отрицательный наклон, гармоника с большей амплитудой находится на оси частот правее относительно гармоники с меньшей амплитудой, а если «пила» имеет положительный наклон, то все наоборот.
Из к-той и (к +1)-той пар составляющих спектра преобразованного сигнала с помощью полосовых фильтров (ПФ) выделяются гармоники с большой амплитудой. Сигналы с выходов фильтров детектируются амплитудными детекторами и подаются на схему вычитания. В итоге формируется дискриминационная характеристика.
В работе [1] приводится вид этой характеристики. Нулю дискриминационной характеристики соответствует высота, равная с(к + 0,5)/2^Д, где с - скорость света, ^Д - полный размах девиации частоты. На высотах, превышающих это значение, уровень выходного сигнала будет лежать в области отрицательных значений, не поднимаясь выше нуля.
Крутизна дискриминационной характеристики в зависимости от высоты определяется следующим выражением [1]:
5 = 1,27(2к + 1)/Н,
где 5 - крутизна, нормированная относительно максимальной амплитуды к-той гармоники; к - номер гармоники; Н - высота.
При к = 3 получаем 5 = 8,9/Н, что обеспечивает хорошую точность по высоте срабатывания.
Выделение полезного сигнала на фоне очень большого сигнала ПАМ может потребовать использования дополнительных мер. В частности, применение синхронного режек-торного фильтра позволяет относительно просто эффективно подавить мешающие гармоники ПАМ [1]. Более качественно отфильтровать полезный сигнал можно, если после ПФ использовать смесители, гетеродинными сигналами которых являются соответственно к-тая и (к +1)-тая гармоники модулирующей функции.
Рассматриваемый способ выделения полезного сигнала на фоне сигнала ПАМ использует частотный сдвиг полезного сигнала за счет эффекта Доплера. Главным недостатком описанного способа обработки сигнала является условие относительного постоянства скорости движения ДВ. Если скорость движения ДВ варьируется в широких пределах, требуются широкополосные полосовые фильтры с большой степенью прямоуголь-ности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), т.е. фильтры высокого порядка. Кроме того, необходима автоматическая регулировка усиления или амплитудный ограничитель, потому что динамический диапазон отраженного сигнала может составлять 50 дБ и более. Нелинейность модуляционной характеристики генератора СВЧ-модуля не должна превышать единиц процентов.
Большим преимуществом данного способа обработки сигнала является то, что в районе высоты срабатывания примерно до 90 % энергии преобразованного сигнала сосредоточено в одной единственной к-той гармонике с большой амплитудой [1]. Данное обстоятельство и относительно узкая полоса пропускания приемного тракта способствуют существенному повышению энергетического потенциала ДВ с описанным способом обработки сигнала.
Частота Доплера определяется по следующей формуле:
2-У
' (1)
р =. Доп
где ^доп - частота Доплера; V - скорость движения ДВ в направлении излучения зондирующего сигнала; X - длина волны зондирующего сигнала.
Анализ технических возможностей модулей в соответствии с их частотными параметрами и с учетом (1) приводит к следующим выводам относительно использования рассмотренного способа обработки сигнала.
Модуль М55323 позволяет реализовать ДВ с дозвуковой скоростью подхода к ПП, а модуль М55328 позволяет реализовать ДВ на скоростях подхода к ПП до 900 м/с и более.
Для реализации описанного способа обработки двух гармоник преобразованного
>
3
6 — 8 — Ш
7 — 9 — 11
12
Рис. 1. Упрощенная структурная схема ДВ: 1 - СВЧ-модуль М55328; 2 - фильтр верхних частот (ФВЧ); 3 - модулятор; 4 - усилитель; 5 - амплитудный ограничитель; 6 - ПФ основного канала; 7 - ПФ помехового канала; 8 - усилитель основного канала; 9 - усилитель помехового канала; 10 - амплитудный детектор основного канала; 11 - амплитудный детектор помехового канала; 12 - схема вычитания
сигнала необходимо обязательное условие движения ДВ к ПП с достаточно большой скоростью. Иначе маломощные гармоники полезного сигнала будут находиться совсем рядом с мощными гармониками сигнала ПАМ и задача селекции гармоник полезного сигнала будет крайне затруднена.
Второй способ обработки сигнала можно назвать интегральным. Здесь также формируется дискриминационная характеристика, но только в полосу пропускания ПФ попадает не одна гармоника сигнала, а несколько. При таком способе обработки сигнала условие движения ДВ не является обязательным. На рисунке 1 представлена упрощенная структурная схема ДВ, реализующего интегральный способ обработки сигнала.
Схема работает следующим образом.
Модуляция несущей частоты СВЧ-модуля осуществляется по синусоидальному закону, т. к. при этом количество гармоник сигнала ПАМ невелико, а уровень высших гармоник весьма мал. На выходе СВЧ-модуля после смешивания гетеродинного и отраженного от ПП сигнала получается преобразованный сигнал, частота которого изменяется во времени по закону модуля синуса, а амплитуда этой частоты имеет следующую зависимость [1]:
/*=-" > (2)
где Убм - амплитуда частоты преобразованного сигнала;
- частота модуляции.
Преобразованный сигнал с выхода смесителя СВЧ-модуля проходит через ФВЧ, подавляющий гармоники сигнала ПАМ. Далее сигнал усиливается, ограничивается по амплитуде и одновременно поступает на ПФ основного
и помехового каналов соответственно. АЧХ ПФ частично перекрываются, причем ПФ по-мехового канала является более высокочастотным по сравнению с ПФ основного канала. После прохождения ПФ сигнал приобретает еще и амплитудную модуляцию, что позволяет его детектировать. По мере приближения ДВ к ПП ширина спектра преобразованного сигнала уменьшается пропорционально высоте. На высотах, превышающих заданную высоту срабатывания, сигнал присутствует в ПФ обоих каналов. По мере приближения ДВ к заданной высоте срабатывания на выходе ПФ поме-хового канала число спектральных гармоник сигнала становится все меньше и уровень их уменьшается. При этом уменьшается и амплитуда сигнала на выходе ПФ помехового канала. После прохождения ПФ сигналы усиливаются, детектируются и поступают на схему вычитания. Разность сигналов основного и помехового каналов представляет собой зависимость выходного напряжения от высоты.
Эта зависимость получила название функции селекции. По достижении выходным напряжением определенного положительного уровня происходит срабатывание порогового устройства. Опытным путем установлено, что функция селекции получается достаточно гладкой и крутой, если полоса пропускания ПФ превышает частоту модуляции в 5-10 раз. При этом крутизна функции селекции, нормированная относительно максимума выходного напряжения, равна примерно 9/Н. Высоту срабатывания можно определить из (2) при условии, когда величина будет равна верхней частоте среза ПФ основного канала:
/в -с
2я' (3)
¿п гд Гм
нп
та
X Ф
ч
та 0-
та
О
О.
£
V
ц
(Ч
2
4
5
где Н0 - высота срабатывания;
- верхняя частота среза ПФ основного канала.
За счет эффекта Доплера амплитуда частоты сигнала на выходе СВЧ-модуля в соседних полупериодах частоты модуляции будет отличаться на величину 2^доп [1, стр. 58]. Поэтому величинаУВ должна быть много больше диапазона доплеровских частот для минимизации динамической ошибки определения высоты срабатывания.
Нетрудно видеть, что как в спектральном, так и в интегральном способе обработки сигнала высота срабатывания обратно пропорциональна величине полного размаха девиации частоты ^Д. Эта зависимость позволяет весьма просто изменять высоту срабатывания путем изменения амплитуды модулирующего напряжения.
Чтобы реализовать какой-либо из рассмотренных способов обработки сигнала, в первую очередь нужно уверенно выделить сигнал на фоне шумов. Это обеспечивается при отношении сигнал/шум на выходе СВЧ-модуля примерно 20 дБ. Величина энергетического потенциала в некоторой полосе частот при определенном отношении сигнал/ шум приводится в технической документации на СВЧ-модуль. После пересчета на требуе-^ мую полосу пропускания приемного тракта — ДВ полученное значение потенциала необхо-о димо приравнять к потенциалу, полученному из основной формулы радиолокации. И после Д несложных преобразований можно получить 5 расчетную формулу для максимально дости-^ жимой высоты срабатывания ДВ:
о _
ш Нщх «а^-Оуд сое9, (4)
та г
о где НМАХ - максимально достижимая высота
о срабатывания ДВ;
| а - числовой коэффициент, зависящий от зна-
ь чения энергетического потенциала ДВ и длины
ш волны излучаемого сигнала;
см О - коэффициент усиления антенны;
9 ауц - удельная эффективная площадь рассеяния
Ц? (ЭПР) ПП, м2/м2;
™ 0 - угол подхода ДВ к ПП (угол зондирования
$ относительно вертикали или зенитный угол).
Величина а определяется из следующего
--4
соотношения: а = 2,5 • 1020 , где П - энергетический потенциал ДВ в децибелах.
В случае использования СВЧ-модуля
М55328 П = ПМ- 10-201g^|p где Пм -
паспортное значение потенциала модуля, AF -полоса пропускания приемного тракта ДВ до амплитудного детектора в герцах.
С целью проверки предложенной расчетной методики был изготовлен и опробован опытный образец ДВ с интегральным способом обработки сигнала на основе модуля М55328. Предполагаемая скорость движения ДВ 900 м/с. В качестве антенны использовалась рупорная коническая антенна АРК-03 производства фирмы «Элмика» с коэффициентом усиления 21 дБ. Ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) составляла порядка 13°.
При скорости движения ДВ 900 м/с частота Доплера согласно (1) составляет 600 кГц. Исходя из этого верхняя частота среза и полоса пропускания ПФ основного канала были выбраны соответственно 6 и 1,8 МГц. Так как полоса пропускания ПФ должна превышать частоту модуляции не менее чем в 5 раз, величина FM была выбрана равной 270 кГц. Максимальное значение величины Fд у использованного СВЧ-модуля составляло 380 МГц, а энергетический потенциал ПМ = 130 дБ. Подставляя найденные величины Fд, FM в (3), получаем минимальное значение высоты срабатывания HMIN = 2,8 м. Рассчитанные по вышеприведенным формулам энергетический потенциал ДВ и коэффициент а составили соответственно 87,5 дБ и 6. После подстановки найденной величины а = 6 и величины G = 126 в (4) было получено следующее соотношение:
нмлх * 67,3^/о^д" • cos 9. (5)
В [2] содержатся усредненные данные по отражательным характеристикам различных ПП при разных углах зондирования от вертикали для длины волны X = 3,2 мм. Анализ совокупности данных, приводимых
в [2], применительно к полученному соотношению (5) позволяет сделать следующие выводы.
Для выбранных СВЧ-модуля и антенны максимальная высота срабатывания в пределах угла 0 = ±30° не превышает 20 метров по таким подстилающим поверхностям, как открытый грунт, пашня, гравий, трава, болото, снег. По водной поверхности, сухому асфальту и бетону для высоты срабатывания Н0 = 20 м угол 0 должен находиться в пределах ±15°. Для обеспечения высоты срабатывания Н0 = 30 м по любой подстилающей поверхности при 0 = ±30° величина О должна составлять не менее 40 дБ.
После изготовления опытного образца ДВ была проведена серия натурных испытаний с целью подтверждения его функционирования в соответствии с задаваемыми характеристиками. На рисунке 2 показан внешний вид при-емо-передающего блока опытного образца ДВ.
Приемный тракт ДВ выполнен целиком на отечественной элементной базе с использованием радиоэлементов для поверхностного и навесного монтажа. Радиоэлементы распаяны на печатной плате в виде кольца с внешним диаметром 80 мм и внутренним диаметром 25 мм. Антенна и СВЧ-модуль расположены по центру основания ДВ.
Во время натурных испытаний ДВ подвешивался на беспилотный летательный аппарат (октокоптер). После взлета со стартовой площадки октокоптер с ДВ перемещался в зону исследуемой ПП. После чего осуществлялся вертикальный подъем на высоту, значительно превышающую заданную высоту срабатывания. Затем происходил почти равномерный спуск со скоростью 0,2-0,3 м/с по той же траектории. Выходное напряжение ДВ при помощи модуля ZETLAB оцифровывалось с частотой 100 кГц, и по каналу связи Ш^ в режиме реального времени происходила передача цифровой информации и ее запись для последующей обработки.
Система подвеса обеспечивала жесткую фиксацию ДВ в одном из двух положений: направление главного лепестка ДНА по нормали к ПП и под углом в 30° к нормали к ПП. Смена высоты срабатывания осуществлялась за счет изменения величины девиации частоты
^Д согласно (3). Это достигалось простым изменением номинала подборного резистора в электрической схеме ДВ. Задаваемая высота срабатывания выбиралась из трех значений: 3, 15 и 30 метров.
Данные о текущей высоте с привязкой ко времени выдавал бортовой баровысотомер октокоптера, имеющий погрешность ±0,5 м. Для испытаний были выбраны две типовые ПП: грунт с травяным покрытием и спокойная водная поверхность в летнее время года в средней полосе. На рисунке 3 представлена зависимость во времени выходного напряжения ДВ для проверки расчетной высоты срабатывания 30 метров над водной поверхностью при направлении главного лепестка ДНА по нормали к ПП.
На рисунке 4 представлено усредненное выходное напряжение в зависимости от высоты, привязанной к текущему времени после сопоставления с записанными во времени данными от баровысотомера. Высоте срабатывания соответствует постоянный положительный уровень напряжения вблизи точки перехода выходного напряжения ДВ из отрицательной области в положительную.
га *
s i
X 0) н
0
S
4
га
CL
ГО *
5
1
о £1
0) 5
Рис. 2. Приемо-передающий блок опытного образца ДВ _
см о см
< I
со та
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
2000 1500 1000
-2000
60 80 100 120 140 160 180
Рис. 3. Выходное напряжение ДВ во времени при спуске с высоты примерно 50 метров
2
0 8 16 24 32 40 48
Рис. 4. Усредненное выходное напряжение ДВ в вольтах в зависимости от высоты в метрах
Выходное напряжение ДВ имеет флюктуирующий характер. Длительность отдельных выбросов выходного напряжения ДВ лежит в пределах 2-20 мс и обусловлена в основном изменением направления излучения зондирующего сигнала из-за переменных ветровых нагрузок на октокоптер и его вибрации. Амплитудный детектор изготовленного ДВ имеет постоянную времени в десятки раз меньше, т. к. рассчитан на скорость движения ДП порядка 900 м/с и поэтому отрабатывает флюктуации преобразованного сигнала. В районе перехода через ноль функция селекции имеет большую крутизну, и уровень флюктуа-ций не будет существенно влиять на точность фиксации заданной высоты срабатывания. На высотах, превышающих высоту срабатывания, максимальный уровень флюктуаций лежит в области отрицательных напряжений и не может привести к преждевременному
срабатыванию. То есть разработанный ДВ достаточно универсален и сохраняет свою работоспособность в очень широком диапазоне скоростей подхода к ПП: от 0 до 900 м/с. Для того чтобы функция селекции не имела резких выбросов и была достаточно гладкой, необходимо согласование постоянной времени амплитудного детектора со скоростью движения ДВ. При этом динамическая ошибка фиксации высоты срабатывания, обусловленная инерционностью амплитудного детектора, будет минимальной.
На рисунке 5 представлена зависимость усредненного выходного напряжения ДВ при полете на низкой высоте над грунтом с травяной растительностью. Здесь же приведена зависимость выходного напряжения ДВ от расстояния до кирпичной стены здания, снятая по отдельным точкам в моменты, когда ДВ был неподвижен.
Для оценки помехозащищенности ДВ рассмотрим одну из возможных тактических ситуаций. Станция помех (СП), прикрывающая некоторый объект, расположена от него на расстоянии в несколько десятков метров. ДВ начинает реагировать на отраженный от ПП сигнал на высотах также в несколько десятков метров. Следовательно, можно считать, что расстояние от СП до ДВ составляет порядка 100 м. Антенна СП имеет слабонаправленную диаграмму направленности, поскольку заранее невозможно определить точное направление подхода ДВ. Полагаем, что СП излучает шумовую заградительную помеху, как это часто бывает.
В рассматриваемом ДВ предусмотрен помеховый канал обработки сигнала, реагирующий на наличие помехи и исключающий преждевременное срабатывание. Возможна только блокировка ДВ. Помехозащищенность ДВ определяется уровнем мощности СП, при котором происходит его срабатывание или блокировка. И если этот уровень превышает мощность СП, то ДВ считается помехоза-щищенным.
Помехозащищенность рассмотренного ДВ обеспечивается за счет низкого уровня боковых лепестков, малой ширины основного лепестка ДНА и широкого диапазона частот, в пределах которого может находиться рабочая частота СВЧ-модуля.
Мощность СП, при которой сигнал помехи блокирует ДВ, определяется соотношением:
{АтФ)2 -Рт-2 А/ К
р = 1 пом
l377
пом
■ G ■ ß • А,2 ■ AF
(6)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
где D - расстояние от ДВ до СП; Рпр - чувствительность ДВ; А/ - полоса частот, в пределах которой может находиться несущая частота СВЧ-модуля; Кзп - коэффициент схемной помехозащищенности;
Опом - коэффициент усиления антенны СП; О - коэффициент усиления антенны ДВ; в - уровень боковых лепестков ДНА ДВ; АР - полоса пропускания приемного тракта ДВ до амплитудного детектора.
Полагаем D = 100 м; А/ = 1,5 ГГц; Опом = 10; О = 126; в = 0,1; X = 3,210-3 м; АР = 1,8 МГц.
Рис. 5. Выходное напряжение ДВ при 0 = 30°, Н0 = 3 м
--усредненное выходное напряжение ДВ
в вольтах в зависимости от высоты в метрах при полете; --выходное напряжение ДВ в вольтах в зависимости от расстояния до стены здания в метрах
Р "X ■ 1О-3
р = изл =5 3-Ю"12 Вт
П 108'75
где Ризл - мощность излучения СВЧ-модуля; П - энергетический потенциал ДВ.
Принимаем Кзп = 20 дБ. Такое значение Кзп определено для шумовой заградительной помехи применительно к похожим ДВ сантиметрового диапазона длин волн. При этом получается отношение сигнал/шум на входе и на выходе амплитудного детектора, равное примерно единице, и ДВ сохраняет свою работоспособность.
После подстановки в (6) получаем:
Рпом = (^•Ю0)2-5.3;Ю--2-1,5-10--100 ^ 10Ю Вт 10• 126• 0,1-(з,2-КГ3/ 1,8 106
Таким образом, блокировка ДВ теоретически возможна, если СП излучает непрерывный сигнал мощностью не менее 1080 Вт в диапазоне 94 ГГц. Такой уровень мощности СП диапазона 94 ГГц с непрерывным излучением в настоящее время не реализован. В открытых источниках имеются сведения о генераторах и усилителях трехмиллиметрового диапазона длин волн мощностью до 150 Вт в непрерывном режиме и до нескольких киловатт - в импульсном режиме работы. Эти усилители выполнены на основе ламп бегущей волны или пролетных клистронов. Известно также, что скважность выходных импульсов у мощных приборов этого типа
та
X Ф
ч
та Q.
та
о
о.
£
V
ц
(Ч
см о см
< I
со та
s
о
CQ
О.
Ф
О
о ф
CQ
СМ ■Clin
с?
см
■Clin см
(П (П
составляет 8-10, а длительность не превышает десятков микросекунд. Реализовать же такие мощные передатчики на практике весьма непростая задача.
В итоге получается, что длительность импульса излучаемого сигнала мощной СП во много раз меньше постоянной времени амплитудного детектора приемника ДВ. То есть такая СП не представляет опасности: ДВ не будет реагировать на ее излучение в силу инерционности амплитудного детектора приемного тракта ДВ. Можно считать, что ДВ устойчив к воздействию активных организованных помех.
Также хорошо известно, что в трехмиллиметровом диапазоне длин волн при работе на малых дальностях воздействие естественных помех незначительно [3].
Например:
- туман водностью 10 мг/м3 дает ослабление 0,5 дБ/км;
0,2 дБ/км;
сильный дождь интенсивностью 60 мм/час - 4 дБ/км.
Откуда следует вывод, что ДВ устойчив к воздействию организованных и естественных помех.
Для решения задачи реализации ДВ со скоростью движения 900 м/с можно применить также и спектральный способ обработки сигнала. При этом для формирования дискриминационной характеристики целесообразно использовать третью и четвертую пару гармоник преобразованного сигнала. СВЧ-часть ДВ остается без изменений. Выбираем частоту модуляции = 2,5^доп = 1,5 МГц и полосу пропускания ПФ порядка 0,5 МГц из условия, чтобы крайние гармоники в каждой из пар не накладывались друг на друга. Полагая полосу пропускания ДВ 0,5 МГц и проводя аналогичный расчет, как и в случае интегрального способа обработки сигнала, получаем следующее выражение для максимально возможной высоты срабатывания:
Я,
128^0
уд
• cos 9.
(7)
Выражение для НМАХ получено из условия достаточности энергетики ДВ на определенной
высоте. Это является необходимым, но недостаточным условием для нормальной работы ЧМ СБРЛ. Необходимо еще, чтобы время задержки зондирующего сигнала было намного меньше периода частоты модуляции [1]. Это эквивалентно выполнению условия:
H«
2 F,
(8)
м
- пылевое облако с плотностью 1 г/м2 - V
После подстановки = 1,5 МГц в (8) получаем Н << 100 м. При этом, по сравнению с рассмотренным выше интегральным способом обработки сигнала, диапазон различных вариантов использования ДВ значительно расширен по энергетике (допускается больший угол зондирования и худшая удельная ЭПР в разных комбинациях). Подставляя, например, НМАХ = 20 м в (7), получаем условие для возможных вариантов применения ДВ со спектральным способом обработки сигнала: ■со8»> 0,15.
'уд
Минимально возможная высота срабатывания при спектральном способе обработки сигнала находится из соотношения НМШ = с(к + 0,5)/2^Д при к = 3 и максимальном значении ^Д = 380 МГц. В итоге получаем НМШ = 0,9 м.
Заключение
Рассмотрены спектральный и интегральный способы обработки сигнала для радиолокационного ДВ трехмиллиметрового диапазона длин волн на основе СВЧ-модуля гомодинного типа. Изготовлен и испытан опытный образец ДВ с интегральным способом обработки сигнала. Полученные результаты испытаний полностью согласуются с расчетными данными.
Проведено сравнение рассмотренных способов обработки сигнала на конкретном примере. Показано, что использование спектрального способа обработки сигнала позволяет существенно расширить диапазон реализуемых высот срабатывания снизу по сравнению с интегральным способом обработки сигнала. Но при этом необходима высокая степень линейности модуляционной характеристики СВЧ-модуля, а также достаточно высокая и относительно постоянная скорость движения ДВ. В случае
интегрального способа обработки сигнала требования к линейности модуляционной характеристики СВЧ-модуля не столь критичны и скорость движения ДВ может варьироваться от нуля до очень высоких значений.
Независимо от используемого способа обработки сигнала установка заданной высоты срабатывания в значительных пределах возможна изменением номинала всего одного резистора. Это позволяет унифицировать линейку радиолокационных ДВ путем использования одной универсальной платы приемника.
По сравнению с лазерным ДВ радиолокационный ДВ имеет ряд преимуществ, а именно:
- работоспособность по любым ПП;
- помехозащищенность к воздействию естественных и организованных помех;
- высокая технологичность в серийном производстве;
- меньшие габариты.
Список литературы
1. Комаров И. В., Смольский С. М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модулированных колебаний. М.: Горячая линия - Телеком, 2010.
2. Павельев В. А., Хаминов Д. В. Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового диапазона природными и антропогенными факторами. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.
3. Быстров Р. П., Загорин Г. К., Соколов А. В., Федорова Л. В. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов. Монография. Под ред. Р. П. Быстрова, А. В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 с.
Об авторах
Аникушин Максим Алексеевич - начальник лаборатории Публичного акционерного общества «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: цифровая обработка сигналов, компьютерное моделирование и программирование.
Власов Владимир Владимирович - старший инженер-исследователь Публичного акционерного общества «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: радиолокация, цифровая обработка радиолокационных сигналов, статистический анализ информации.
Трифонов Александр Васильевич - ведущий инженер Публичного акционерного общества «Научно-производственное предприятие «Импульс», Москва, Российская Федерация.
Область научных интересов: радиолокация с излучением непрерывных ЧМ колебаний, системы термоэлектрического охлаждения.
| Эnектронмка. PaguoTexHUKa|
m
3-mm wavelength range radar altitude sensors
Anikushin M. A., Vlasov V. V., Trifonov A. V.
PJSC NPP Impuls, Moscow, Russian Federation
In this study, we analyse the specific features of design of 3-mm wavelength range radar altitude sensors based on domestic-made super high frequency modules IW55323 and IW55328. Some results of full-scale tests are given.
Keywords: frequency modulation, energy potential, operating range, underlying terrain
Information about the authors
Anikushin Maksim Alekseyevich - Head of Laboratory, PJSC NPP Impuls, Moscow, Russian Federation. Science research interests: digital signal processing, computer-aided modelling and programming.
Vlasov Vladimir Vladimirovich - Senior Research Engineer, PJSC NPP Impuls, Moscow, Russian Federation. Science research interests: radar systems, digital processing of radar signals, statistical data analysis.
Trilfonov Aleksandr Vasilievich - Lead Engineer, PJSC NPP Impuls, Moscow, Russian Federation. Science research interests: frequency-modulated continuous-wave radiolocation, thermoelectric cooling systems.
