RU2352958C1 - Лазерный когерентный локатор - Google Patents

Abstract

Заявляемый лазерный когерентный локатор использует смодулированные излучения одночастотного газового лазера в режиме гетеродинного приема отраженных излучений от лоцируемого объекта и группы бликов морской поверхности, распределенных случайным образом и образованных рассеянием зондирующего излучения на объекте локации. В локаторе используется матрица фоточувствительных элементов и многоканальный блок обработки информации с использованием в каналах дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) в качестве согласованных фильтров для широкополосных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов, полученных смешением высокочастотных колебаний с выходов элементов матрицы фотоприемного устройства, частоты которых соответствуют доплеровским сдвигам в отраженных излучениях, с колебаниями гетеродина ЛЧМ сигналов. Технический результат: увеличение энергетического потенциала и быстродействия локатора, а также обеспечение противодействия разведке тактико-технических характеристик локатора по анализу его излучения. 7 ил.

Description

Изобретение относится к области локации и может быть использовано для обнаружения крылатых ракет морского базирования, измерения высоты их полета, наклонной дальности и вектора скорости в интересах военно-морского флота.

Традиционно измерение скорости полета дифракционно ограниченных объектов осуществляют применением доплеровских локаторов с непрерывным режимом немодулированного излучения, однако решение задачи измерения наклонной дальности требует применения модуляции излучения (импульсной, частотной и др.), что существенно снижает предельную дальность проведения этих измерений, вносит потери излучения модулятором [1-4]. Триангуляционные методы измерения наклонной дальности с использованием немодулированного излучения, обеспечивающего наивысший энергетический потенциал локатора при заданной рабочей мощности излучающего лазера, связаны с необходимостью рассредоточения на море группы локаторов, образующих триангуляционную сеть, что снижает эффективность работы такой сети на кораблях из-за требования жесткой взаимной привязки координат кораблей в условиях их движения в боевой обстановке

Известно применение согласованной фильтрации локационных сигналов на основе дисперсионных линий задержки для повышения отношения сигнал/шум [5-21], а также использование средств стабилизации лазерного излучения для повышения обнаружительной способности лазерных локаторов с непрерывным режимом излучения [22-26].

Разрешение противоречий между увеличением энергетического потенциала локатора (предельной дальности обнаружения малоразмерной цели) и упрощением процедуры измерения основных характеристик лоцируемых объектов - их высоты полета, наклонной дальности и вектора скорости (включая и параметр радиальной скорости) достигается на основе использования способа локации, известного из патента РФ №2296350 (опубл. в бюлл. №9 от 27.03.2007) того же автора, который может быть использован в качестве прототипа заявляемому техническому решению.

Известный способ основан на использовании сочетания доплеровского принципа локации с триангуляционным методом местоопределения цели. Последнее достигается за счет использования бликов отраженного от цели под разными углами излучения от морской поверхности, излучение от которых поступает к локатору под разными измеряемыми углами и с доплеровскими сдвигами частоты в функции углов отражения падающего на цель зондирующего излучения от поверхности цели. По измерению углов прихода излучения от бликов морской поверхности фоточувствительной приемной матрицей и по измеренным значениям доплеровских сдвигов частоты в многоканальном блоке оптимальной фильтрации на основе гетеродинных методов приема с применением многоканальных дисперсионных линий задержки удается методами статистического усреднения реконструировать текущее местоположение цели и ее вектор скорости.

Целью изобретения является максимизация энергетического потенциала локатора на лазере с непрерывным и немодулированным излучением при решении задач одновременного обнаружения цели с измерением ее основных характеристик - высоты полета, наклонной дальности и вектора скорости. Другой немаловажной целью изобретения является обеспечение высокой скрытности для потенциального противника типа используемого локатора, его тактико-технических данных, которые используют в радиотехнической разведке для определения потенциальной опасности от применения тех или иных локационных средств.

Указанная цель достигается в лазерном когерентном локаторе, содержащем одночастотный газовый лазер непрерывного действия, например CO₂-лазер, связанный с лоцируемым объектом, например низколетящей крылатой ракетой морского базирования, и гетеродинным фотоприемным устройством через светоделительный элемент и приемно-передающий объектив, а также многоканальный блок обработки информации, соединенный с выходом гетеродинного фотоприемного устройства, блок сканирования по азимуту зондирующего излучения, сформированного приемно-передающим объективом в форме веерообразного излучения - широкоугольного по углу места и узкоугольного по азимуту, и связанный с последним блок топографической привязки, отличающимся тем, что гетеродинное фотоприемное устройство выполнено в виде матрицы из набора фоточувствительных элементов, например, на основе охлаждаемых жидким азотом элементов KdHgTl-соединения, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального блока обработки информации, состоящего из последовательно включенных канальных преобразователей частоты входных сигналов с сигналом линейно-частотно-модулированного гетеродина, канальных широкополосных усилителей, многоканального согласованного фильтра «сжатия» на основе дисперсионных линий задержки, канальных компенсирующих усилителей, канальных амплитудных детекторов, связанных с ограничителями по минимуму, а также включает параллельно подключенные к выходам многоканального блока обработки информации многоканальный блок определения угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности и многоканальный блок измерения доплеровских сдвигов частоты принимаемых переотражений лоцируемым объектом зондирующего излучения для него самого и соответствующих бликующих элементов морской поверхности, причем выходы многоканальных блоков определения угловых координат и измерения доплеровских сдвигов частоты для соответствующих принятых излучений подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя характеристик лоцируемого объекта - его высоты полета, наклонной дальности и вектора скорости, третий вход которого соединен с блоком топографической привязки, а выходы вычислителя характеристик лоцируемого объекта соединены со статистическим усреднителем измеряемых характеристик в текущем времени, при этом прием отраженных излучений осуществлен как непосредственно от лоцируемого объекта, так и от морских бликов, образованных от рассеяния зондирующего излучения поверхностью лоцируемого объекта под разными углами рассеяния.

Поставленная цель достигается благодаря совместному измерению доплеровских сдвигов частоты зондирующего излучения от объекта локации и от группы бликовых переотражений от морской поверхности из-за рассеяния излучения на лоцируемом объекте с учетом зависимости доплеровских сдвигов частоты в переотраженных от морских бликов сигналах от угла рассеяния зондирующего излучения поверхностью объекта локации, а повышение точности производимых измерений обеспечивается путем статистического усреднения измеряемых характеристик лоцируемого объекта для сравниваемой группы однотипных измерений, число которых в группе задается числом морских бликов в текущем времени. Измерение углов приема излучений (азимута и угла места) осуществляется по номерам ячеек матрицы гетеродинного фотоприемного устройства, обработка сигналов с которых дает отклик на выходах ограничителей по минимуму, а измерение доплеровских сдвигов частоты достигается измерением временных сдвигов указанных откликов относительно синхросигнала, периодически запускающего гетородин линейно-частотно-модулированных колебаний, согласованных с импульсной характеристикой применяемых дисперсионных линий задержки как согласованных фильтров «сжатия» полученных преобразованием сигналов в канальных смесителях блока обработки информации. Рассредоточение в пространстве морских бликов, от которых осуществляется прием переотраженного излучения, эквивалентно триангуляционному методу измерения местоположения лоцируемого объекта, то есть без использования модуляции зондирующего излучения и при использовании только одного локатора. При этом темп азимутального поиска цели в широкой угловой зоне по углу места (что задается веерообразной диаграммой излучения) жестко коррелирован с частотой сканинга гетеродина линейно-частотно-модулированных колебаний, база которых - произведение полосы частотного сканинга на его длительность может достигать 1000 и более, что обеспечивает высокую разрешающую способность измерения доплеровских сдвигов частоты и энергетическую эффективность локатора при его достаточном быстродействии осуществления поиска цели по угловым координатам.

Другая указанная выше цель достигается благодаря тому, что при разведке излучения потенциальным противником последний ошибочно полагает, что немодулированное излучение лазера указывает на работу чисто доплеровского локатора, не обладающего способностью измерять какие-либо иные характеристики движущегося объекта, кроме его радиальной скорости.

Действие заявляемого технического решения поясняется следующими чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства. Оно содержит одночастотный газовый лазер 1 непрерывного действия, например СО₂-лазер, приемно-передающий объектив 2, отражательную пластину 3 с малым коэффициентом пропускания для образования гетеродинного канала, рассеивающий отражатель 4, корректирующий гетеродинный поток на гетеродинное фотоприемное устройство 5 (ФПУ) в виде матрицы элементов, например, на основе элементов KdHgTl-соединения, охлаждаемых жидким азотом, блок обработки информации 6 (рассмотренный ниже на фиг.2), многоканальный определитель 7 угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности, многоканальный измеритель доплеровских сдвигов частоты 8, вычислитель характеристик лоцируемого объекта 9, статистический усреднитель измеряемых характеристик 10, работающий в текущем времени, на выходе которого формируются уточненные данные о высоте полетав (Н), наклонной дальности (D) и вектора скорости (V) лоцируемого объекта, а также блок сканирования по азимуту 11 зондирующего излучения, сформированного приемно-передающим объективом в форме веерообразного излучения - широкоугольного по углу места и узкоугольного по азимуту, и связанный с последним блок топографической привязки 12. Лоцируемый объект 13 создает переотражения от его облученной зондирующим излучением поверхности как в направлении локатора, так и на поверхность моря 14, бликующая поверхность которого позволяет реализовать триангуляционный принцип измерения местоопределения лоцируемого объекта.

На фиг.2 показана структура многоканального блока обработки информации 6, который состоит из канальных преобразователей частоты (смесителей) 15, 16, 17,…18, канальных широкополосных усилителей 19, 20, 21,…22, многоканального согласованного фильтра «сжатия» из дисперсионных линий задержки 23, 24, 26, 26, канальных компенсирующих усилителей 27, 28, 29,…30, канальных амплитудных детекторов 31, 32, 33,…34 с соответствующими ограничителями по минимуму 35, 36, 37,…38. В блоке используется гетеродин линейно-частотно-модулированных колебаний 39, выходом связанный с вторыми входами смесителей 15, 16, 17,…18 и запускаемый на частотный сканинг с выхода импульсного генератора 40.

На фиг.3 представлена блок-схема многоканального определителя 7 угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности - их азимут β и угол места ε. Схема содержит матрицу двоичных запоминающих элементов (триггеров) 41, 42…56 - по числу элементов в матрице гетеродинного фотоприемного устройства 5 с такой же топологией расположения элементов, то есть с тем же числом строк и столбцов в матрицах. Элементы первой строки этой матрицы триггеров 41, 42, 43,…44 образуют общий выход первой строки, элементы 45, 46, 47,…48 образуют выход второй строки матрицы, элементы 52, 54, 55,…56 - общий вывод последней строки матрицы. Элементы первого столбца матрицы 41, 45, 49,…53 образуют общий выход первого столбца, элементы 42, 46, 50,…54 образуют общий выход второго столбца, элементы 44, 48, 52,…56 - общий выход последнего столбца матрицы триггеров. Все k общих выходов столбцов матрицы соединены с первым запоминающим регистром сдвига 57, образующим информационный канал об азимутах β, а все m общих выходов строк матрицы соединены со вторым запоминающим регистром сдвига 58, образующим информационный канал об углах места ε. Матрица триггеров размерностью km элементов соединена с соответствующими km выходами многоканального блока обработки информации 6 и ее элементы последовательно опрашиваются с помощью генератора-дешифратора 59, тактируемого импульсной последовательностью - сигналом «Цикл опроса».

На фиг.4 приведена блок-схема многоканального измерителя доплеровских сдвигов частоты 8, которая включает km элементов «И» (схем совпадения) 60, 61, 62,…63, первые входы которых соединены с соответствующими выходами многоканального блока обработки информации 6, а ко вторым их входам подключен высокочастотный тактовый генератор импульсов 64. Выходы элементов «И» соединены с управляющими записью бинарных кодов многоразрядных запоминающих элементов 65, 66, 67,…68, на информационные входы которых одновременно подаются последовательно изменяющиеся во времени бинарные коды с пересчетной схемы 69 (двоичного счетчика), на счетный вход которой подаются импульсные сигналы с выхода высокочастотного тактового генератора импульсов 64. Темп цикла записи-считывания этих кодов в многоразрядных запоминающих элементах определяется импульсным сигналом «Сброс цикла» с выхода импульсного генератора 40, находящегося в многоканальном блоке обработки информации 6. Этим же сигналом «Сброс цикла» перезаписываются коды с многоразрядных запоминающих элементов 65, 66, 67,…68, сложенные с кодами номеров для соответствующих ячеек матрицы ФПУ 5 в двоичных сумматорах 70, 71, 72,…73, производится переброс совокупной кодовой информации по завершению данного цикла в ячейки памяти 74, 75, 76,…77, обработка которой проводится в течение следующего цикла «записи-считывания», но результаты обработки приписываются к тому временному интервалу, в котором проведена запись данных. С помощью генератора опроса 78 с ячеек памяти 74, 75, 76,…77, в которых содержится «ненулевая информация», эти данные последовательно переписываются в регистр сдвига-шифратор 79, формирующий информацию о доплеровских сдвигах частоты для всех ячеек матрицы ФПУ 5, которые в данном цикле «записи-считывания» были облучены отраженным от лоцируемого объекта и переотраженным от бликов морской поверхности излучением. В выходном сигнале регистра сдвига-шифратора 79 в каждом цикле «записи-считывания» содержится последовательно выдаваемая информация в кодовом представлении о номерах ячеек матрицы ФПУ 5, подвергнувшихся облучению, и соответствующих им доплеровских сдвигах частоты. Информация о номерах ячеек здесь дублируется с данными от многоканального определителя 7 угловых координат, рассмотренного на фиг.3, с целью повышения достоверности отсчета номеров облученных ячеек матрицы ФПУ 5.

На фиг.5 приведены диаграммы, показывающие процедуру измерения доплеровского сдвига частоты в принятом сигнале в той или иной ячейке матрицы ФПУ 5, в процессе его «сжатия» согласованным фильтром на дисперсионной линии задержки (фиг.2) с примером для одного из типов локационных задач. На фиг.5а представлена последовательность синхроимпульсов, определяющих период цикла записи-считывания и называемых как импульсы «Цикла сброса», формируемые в импульсном генераторе 40 (фиг.2). На фиг.5б показан процесс периодически воспроизводимого ЛЧМ-сканинга в гетеродине линейно-частотно-модулированных колебаний 39 (фиг.2) с диапазоном изменения частоты от 80 до 130 МГц. На фиг.5в прямой жирной горизонтальной линией показан сигнал с выхода соответствующей ячейки матрицы ФПУ 5 в координатах «частота-время», например, с частотой 53 МГц (из предполагаемого возможного диапазона частот 50-60 МГц), жирной пилообразной линией изображен ЛЧМ-эквивалент, образованный на соответствующем выходе смесителя из числа смесителей 15, 16, 17,…18 (фиг.2), частота в котором изменяется от 80-53=27 МГц до 130-53=77 МГц. Параллельно пилообразному изменению частоты в ЛЧМ-эквиваленте пунктиром показаны пределы вариации последнего при изменении частоты входного сигнала в диапазоне 50-60 МГц (этот диапазон обозначен как (ΔF_Σ), а крайними горизонтальными пунктирными линиями указана полоса пропускания согласованного фильтра на одной из дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) 23, 24, 25,…26, в данном примере она равна 40 МГц. На фиг.5г даны два графика, на первом из которых указан жирной вертикальной линией импульсный отклик на выходе соответствующего ограничителя по минимуму из числа используемых в многоканальном блоке обработки информации 6 (с номерами 35, 36, 37,…38 на фиг.2), а именно в одном из них для соответствующей ячейки матрицы ФПУ 5. На этом же графике пунктирными вертикальными линиями показаны границы вариации по времени возникновения импульсных откликов при изменении частоты входного сигнала в диапазоне частот доплеровских сдвигов от 50 до 60 МГц. Видно, что доплеровский сдвиг частоты преобразуется во временной сдвиг импульса-отклика относительно запускающего синхроимпульса, указанного на фиг.5а. Это обстоятельство отражено на втором графике фиг.5г, который представляет собой прямоугольный импульс с длительностью τ_зад, равной разности моментов времени появления импульса-отклика и предшествующего ему синхроимпульса. Отметим, что эта длительность импульса затем кодируется в многоканальном измерителе доплеровского сдвига частоты 8 (фиг.1), в частности в одном из многоразрядных запоминающих элементов 65, 66, 67,…68 (фиг.4) для соответствующей ячейки матрицы ФПУ 5.

На фиг.6 поясняется триангуляционный принцип действия локатора по заявленному ранее автором способу. Рассматривается для простоты плоская задача, когда раскрыв локатора 80 (точка А), блики морской поверхности (точки С и D) и дифракционно ограниченный объект 81 (точка В - лоцируемый объект 13 на фиг.1) находятся на одной плоскости OABCDG. Отметим, что в такой постановке упрощенной задачи возможно построение локатора с одностолбцовым ФПУ 5, вместо матрицы, однако это снижает вероятностные характеристики производимых измерений, и использование матричного ФПУ 5 все же предпочтительно, хотя и существенно увеличивает объем оборудования.

На фиг.6 выделены три направления рассеяния дифракционно ограниченным объектом 81 зондирующего излучения от локатора 80 - прямое отраженное 82 и два рассеянных под разными углами к прямому - 83 и 84, которые бликуют на морской поверхности в точках С и D. Высота раскрыва локатора 80 обозначена как h₀=АО - известная величина, высота полета объекта 81 над уровнем моря обозначена как H(t)=BG в функции текущего времени t, вектор горизонтальной скорости объекта и его радиальная скорость обозначены соответственно как V* и V.

На фиг.7 указана схематически последовательность операций известного способа-прототипа, а именно: способ локации, отличающийся тем, что когерентному приему и обработке дополнительно и одновременно подвергают (85) отраженные от нескольких бликов морской поверхности излучения, поступающие на фотоприемную матрицу с разных произвольно распределенных угловых направлений, определяют (86) в соответствующих каналах, связанных с матричным фотоприемным устройством, доплеровские сдвиги частоты в принятых излучениях для переотраженных от бликов морской поверхности сигналов и соответствующие им угловые координаты на эти блики, вычисляют (87) текущие координаты местоположения объекта и его истинную скорость, а также статистически усредняют (88) полученные результаты вычислений всей совокупности совместных измерений указанных параметров.

Рассмотрим теоретические основы действия заявляемого технического решения.

Известно, что при движении отражателя со скоростью V в направлении излучения лазерного локатора с частотой ν₀ (такая скорость называется радиальной) в прямом отраженном от объекта излучении возникает приращение частоты - доплеровский сдвиг - Δν₀=ν₀(1+2V/с)-V₀=2ν₀ V/с, где с - скорость света. По величине этого сдвига Δν₀ определяют радиальную скорость V объекта, что тривиально. Если падающее на объект излучение переотражается от него под некоторым углом θ относительно линии указанного направления облучения объекта от локатора, то частота доплеровского сдвига выражается по формуле Δν(θ)=Δν₀ cos θ в предположении, что объект не является релятивистским, то есть 2V/С<<1, что всегда выполняется применительно к локации. Поскольку лоцируемый объект рассматривается как дифракционно ограниченный, можно считать, что переотраженное им излучение является квазисферическим в силу принципа Гюйгенса, то есть происходит по всем направлениям, не затененным самим телом объекта. Реально головная часть ракеты имеет форму, создающую переотражения, в частности, в направлениях к морской поверхности даже более сильные, чем переотражение в направлении непосредственно к локатору (особенно если ракета летит прямо на локатор). В зависимости от того, под каким углом θ компонента переотраженного от движущегося объекта излучения освещает тот или иной морской блик, создающий зеркальное (то есть сильное) отражение в сторону локатора, в принятом от таких бликов сигналах доплеровские сдвиги частоты будут различаться между собой и доплеровским сдвигом (наибольшим по величине) для прямого отражения от объекта Δν₀. Это и позволяет по известной геометрии приходящих на фотоприемную матрицу излучений от объекта и от серии морских бликов расчетным путем определить интересующие параметры объекта - его радиальную скорость, наклонную дальность и высоту полета над уровнем моря. Угловые координаты объекта при его обнаружении определяются по данным угловых датчиков сканирующей системы, привязанной к заданному местоположению локатора, а также по номеру ячейки матрицы ФПУ 5, в которой фиксируется сигнал от прямого переотражения излучения от лоцируемого объекта.

Сканирующая по угловым координатам система локатора, работающая в автоматическом режиме подстройки при захвате обнаруженного объекта, всегда приводит прием в ФПУ прямого переотраженного от объекта излучения на центральный канал фотоприемной матрицы ФПУ, условно принимаемый за нулевой. По отношению к этому нулевому номеру центрального канала фотоприемной матрицы, размещенной в плоскости изображений приемного объектива локатора, появление сигналов от бликовых переотражений в других ячейках фотоприемной матрицы с известными номерами позволяет определить (по разности номеров ячеек по отношению к центральной ячейке) угловое направление на данный морской блик по отношению к направлению непосредственно на объект. При этом возникает неопределенность в определении положения данного морского блика, связанная с априорным отсутствием сведений о наклонной дальности до объекта (и высоте его полета над поверхностью моря, что однозначно связано с величиной наклонной дальности до объекта). Раскрытие этой неопределенности достигается на основе совместного решения системы трех (как минимум) независимых уравнений, одно из которых связано с прямым переизлучением, а два (или более) других - с бликовымифигреотражениями.

Обратимся к рассмотрению фиг.6, на которой локатор 80 с заведомо известным местоположением в заданной системе координат обнаруживает в режиме сканирования движущийся объект 81, захватывает его в режиме автосопровождения по угловым координатам и измеряет радиальную скорость V объекта по величине доплеровского сдвига частоты Δν₀. При этом считаются известными угловые координаты на объект по отношению к реперной точке локатора 80 (его раскрыву), координаты которой (в частности, ее высота h₀ над уровнем моря) известны - Х₀, Y₀ и Z₀=h₀. Полагаем, что линия направления прямого переизлучения 82 от лоцируемого объекта проходит через данную реперную точку А. Указанная линия 82 имеет известные угловые координаты - азимут α₀(t) и угол места ε₀(t), величины которых во времени t могут непрерывно изменяться за счет движения объекта, но всегда остаются известными функциями времени. Поэтому для определения текущих координат объекта X(t), Y(t) и Z(t) необходимо лишь определять текущую наклонную дальность D(t) до объекта 81 вдоль линии 82, и тогда по известным правилам координаты объекта могут быть легко вычислены (при этом считаем для простоты локатор неподвижным в заданной системе координат):

В случае, если движение объекта происходит не точно в направлении линии 82 к локатору, а под каким-то произвольным углом, то вычисление горизонтальной скорости объекта V*(t) может быть найдено по правилам сложения взаимно ортогональных векторов, модули которых - суть производные соответствующих координат:

причем очевидно, что радиальная скорость V как вектор, совпадающий с линией 82, вдоль которой изменяется наклонная дальность D(t), также является, вообще говоря, функцией времени V=V(t) и выражается простой формулой:

Отметим, что скорости - горизонтальная V*(t) и радиальная V(t) в общем случае неодинаковы по величине и различны по направлению, |V*(t)|≥V(t)|. Изменение величины радиальной скорости происходит как результат маневрирования объекта в пространстве, при этом также меняется величина доплеровского сдвига частоты Δν₀= Δν₀(t). Знание скорости движения объекта V*(t) необходимо для проведения идентификациионного анализа типа этого объекта, поскольку эта скорость объекта является его важным признаком. Если выражение (2) решить с учетом системы уравнений (1), то окажется, что скорость V*(t) объекта является функцией не только известной радиальной скорости, азимута и угла места на объект, но и неизвестной наклонной дальности до него, то есть V*(t)=F[Δν₀(t), α₀(t), ε₀(t), D(t)], что означает невозможность определения этой скорости объекта без измерения наклонной дальности до него. Из этого следует, что на этапе обнаружения объекта и измерения его радиальной скорости (без измерения текущей наклонной дальности) могут быть допущены ошибки в распознавании типа объекта и приняты неверные решения на предмет его дальнейшего автосопровождения по угловым координатам по критерию существенного различия измеренной радиальной скорости и горизонтальной (пока неизвестной) скорости интересующего нас объекта. Поэтому задача одновременного измерения наклонной дальности D(t) является весьма актуальной уже на ранних стадиях обнаружения объекта.

Рассмотрим вопрос измерения наклонной дальности D(t), величина которой на фиг.6 представлена отрезком АВ (где точка А - есть реперная точка локатора, а точка В - есть точка переотражения объекта, представляющегося для оптической локационной системы как дифракционно ограниченного). Высота реперной точки с координатами Х₀, V₀, Z₀ равна h₀=Z₀. Пусть, для простоты рассуждений, будем полагать, что морские блики в точках С и D, подсвечиваемые вторичным излучением от объекта 81 вдоль прямых ВС и BD соответственно лежат в одной плоскости (плоскости чертежа) с линией АВ прямого переотражения от объекта, то есть азимуты для всех трех переотражений от объекта - одного прямого и двух бликовых - одинаковы, что позволяет их в данном упрощенном варианте геометрического построения не рассматривать. Все три приходящих к локатору 80 направления переизлучения вдоль прямых ВА, DA и СА (непосредственно от объекта и от бликов в точках D и С морской поверхности) определены соответствующими углами места ε₀(t) ^- для прямого отражения от объекта 81, ε₁(t) - для переотражения от блика в точке С вдоль прямой СА и ε₂(t) - для переотражения от блика в точке D вдоль прямой DA. Поскольку высота реперной точки АО=h₀ известна, то находятся расстояния ОС и OD (дальности до бликовых точек морской поверхности С и D от проекции реперной точки локатора А на линию поверхности моря). Поскольку отсчет углов места ведется от линии горизонта, проходящей через реперную точку А, то нетрудно понять, что указанные расстояния находятся из простых выражений:

Однако пока остается неизвестным местоположение объекта 81, поэтому неясно, под какими углами на бликовые точки С и D приходит вторичное излучение от объекта, поскольку угловая ориентация бликовых поверхностей априори неизвестна. Существует бесчисленное множество комбинаций при известном угле места ε₀(t) (то есть для определенно известного направления видения объекта локатором) для положения точки В на прямой АВ, в которой могут пересекаться прямые СВ (позиция 83) и DB (позиция 84 на фиг.6) при вариации высоты H(t) объекта над морской поверхностью (линией OG), которая пока не определена, но явно связана с величиной наклонной дальности соотношением:

Из геометрических построений на фиг.6 видно, что высота объекта H(t) над уровнем моря может быть иначе выражена из прямоугольных треугольников ΔBCG и ΔBDG (в которых угол OGB - прямой) через углы соответственно между прямыми АВ и ВС - для ΔBCG и прямыми АВ и BD для ΔBDG. Обозначив углы ∟ABC=θ₁ и ∟ABD=θ₂, зная, что угол ∟ABG=π/2-ε₀(t) по определению, легко находим углы при вершинах указанных прямоугольных треугольников, в частности угол при вершине треугольника ΔBCG равен ∟CBG=∟ABG-∟ABC=π/2-ε₀(t)-θ₁, а угол при вершине ΔBDG равен ∟DBG=∟ABG-∟ABD=π/2-ε₀(t)-θ₁. При этом высота H(t)=BG вычисляется как

В выражении (6) отрезок CG можно выразить через известную величину отрезка CD=OD-ОС=h₀[ctg ε₂(t)-ctg ε₁(t)]. Тогда выражение (6) можно записать в виде

из которого можно выразить неизвестный отрезок DG через известные и измеряемые величины как

Подставляя (8) в (7), получим выражение для высоты объекта в форме:

Согласно (9) для вычисления высоты H(t) следует измерить все три угла места с помощью угломестных определителей для соответствующих трех ячеек матрицы ФПУ и датчика угла места системы сканирования по угловым координатам, а также определить два априори неизвестных угла θ₁ и θ₂. Эти неизвестные углы находятся из измеренных доплеровских смещений частоты, пользуясь общим выражением для доплеровского смещения частоты в зависимости от угла переотражения от движущегося объекта относительно направления прямого переотражения:

откуда легко находим искомые углы по измеренным в соответствующих каналах тракта обработки информации значениям доплеровских сдвигов частоты Δν(θ₁)и Δν(θ₂):

Подставляя в (9) вычисленные значения углов из (11), получим искомую величину высоты объекта H(t) над поверхностью моря, а затем и значение наклонной дальности D(t), воспользовавшись выражением (5) и с учетом равенства Δv₀=2ν₀ (V/с), значение которого вычисляется в центральном канале ФПУ по результатам прямого переотражения излучения от объекта. Подставляя полученное значение для D(t) в систему уравнений (1), находим текущие координаты объекта X(t), Y(t) И Z(t), а вычисляя соответствующие производные от текущих координат, находим истинную скорость движения V*(t) объекта согласно выражению (2). В силу громоздкости вычислений конечных величин координат и истинной скорости объекта мы их опускаем в данном описании, но эти вычисления легко осуществляются с помощью вычислителя характеристик 9 (фиг.1) лоцируемого объекта.

Нетрудно видеть, что полное решение локационной задачи местоопределения движущегося объекта и его вектора скорости (важнейшего признака его типа) достигается измерением азимутов и углов места, как минимум, по трем направлениям переизлучения - прямому и двум бликовым, а также измерением трех доплеровских сдвигов частоты по этим же направлениям. Такое решение задачи получено, как выше описано, когда все три направления лежат в одной плоскости, то есть дают отклик в ячейках матрицы ФПУ, расположенных в одном и том же столбце. При этом матрица может быть вырожденной - состоять из одного столбца фоточувствительных ячеек, а само излучение в передающем лазерном канале иметь «веерообразную» форму диаграммы излучения - узкую по азимуту и широкую по углу места. Однако при этом снижается вероятность одновременной организации двух действующих бликовых каналов по сравнению со случаем использования матрицы ФПУ с несколькими столбцами, когда должны будут учитываться в аналогичном приведенному расчете азимутальные составляющие α₀(t), α₁(t) и α₂(t), что дополнительно усложнит алгоритм расчетных операций.

Блики морской поверхности существуют на море практически всегда - как в бурю и шторм, так и в штиль. Размеры переотражающих бликов могут существенно различаться, но все они являются дифракционно ограниченными (точечными) источниками вторичных излучений. При когерентном приеме согласно теореме Цернике-Ван-Циттера [27] радиус когерентности r_ког, характеризующий размер объекта d и дальность L до него, связаны выражением r_ког ≈ λL/d, где λ - длина волны лазерного излучения (λ=с/ν₀), поэтому при вынужденном уменьшении L при условии, что площадка ячейки ФПУ σ удовлетворяет неравенству σ>>π(λF/D_об)²/2, возникает опасность приема излучения от объекта и бликов, которые рассматриваются как протяженные, а не точечные, если на апертуре приемного объектива размещается одновременно или последовательно в течение времени интегрирования сигнала в тракте обработки несколько зон когерентности (их число равно (D_об/2r_ког)². Это указывает на целесообразность выполнения ячеек фотоприемной матрицы малых размеров. Это же обстоятельство следует учитывать при оценке разрешающей способности локатора по угловым координатам Δ_γ≈σ^1/2/F (здесь D_o6 - диаметр приемного объектива, F - его фокусное расстояние, а ячейка ФПУ полагается имеющей форму квадрата с пренебрежимо малыми зазорами между смежными ячейками).

Увеличение обнаружительной способности лазерного когерентного локатора достигается снижением величины спектральной мощности шума G_ш за счет выбора типа ФПУ и режима охлаждения фоточувствительной площадки-матрицы. Важным является учет эффективности фотосмешения, в частности, ослабление влияния шума оптического гетеродина. Автором проведен достаточно сложный физико-математический анализ [18] оптимизации отношения сигнал/шум при когерентном приеме, в результате которого показано, что фоточувствительная площадка-матрица должна устанавливаться не в в плоскости расположения диска Эйри, а на некотором расстоянии от нее Δz≈1,952λ(F/D_об)² с достаточно высокой точностью. Так, для излучений СО₂-лазеров (λ=10,6 мкм) при применении объектива с D_об=200 мм, F=286 мм это смещение составляет величину всего Δz=42,3 мкм, и при этом точность установки должна быть не хуже 10 мкм. Это позволяет увеличить чувствительность ФПУ приблизительно на 50%.

Можно показать, что при обнаружении объекта в угломестной зоне ΔÅ при круговом обзоре с разрешающей способностью Δγ в когерентных локаторах с многоканальной обработкой в согласованных фильтрах на основе дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) с полосой пропускания ΔF_лз и базой В=ΔF_лз τ_лз, где τ_лз - длительность импульсной характеристики ДЛЗ, предельная дальность L_max обнаружения и измерения параметров объекта (координат и истинной скорости) по рассмотренному алгоритму находится из решения трансцендентного уравнения:

где η - экстинкция среды, Р - мощность излучающего лазера непрерывного действия, k - пропускание в передающем и приемном трактах локатора, у - эффективность фотосмешения (у≤1), S - эффективная поверхность отражения объекта (ЭПО), µ - отношение сигнал/шум по напряжению на входе решающего устройства в многоканальном тракте обработки. Т₀ - период кругового обзора, ΔF_доп - полоса неопределенности по доплеровскому сдвигу частоты в канале обработки на ДЛЗ. При оценке радиуса когерентности r_ког можно полагать размер объекта d ≈ (ЭПО)^1/2. Величина ΔF_доп=2|ΔV|/λ, где ΔV - разница между максимальной и минимальной скоростями объекта. Отношение µ сигнал/шум вычисляется по заданным вероятностным характеристикам обнаружения и ложных тревог. Отметим, что выражение (12) относится к локаторам с различными типами диаграмм излучения, в частности к «веерообразному», при использовании одностолбцовой фоточувствительной матрицы (как наиболее простой по конструкции).

Следует особо указать, что в центральном канале ФПУ, связанном с приемом прямого отраженного от объекта сигнала, последний является квазинепрерывным, что существенно отличает его от сигналов от бликов морской поверхности, которые имеют вид относительно коротких импульсных сигналов с учетом динамики перемещения объекта в пространстве. Поэтому обработка бликовых сигналов ведется в соответствующих каналах, конструктивно отличающихся от канала квазинепрерывного сигнала.

Как известно, отношение сигнал/шум µ однозначно определяет обнаружительные вероятностные характеристики локатора [19, 20]. Так, вероятность обнаружения Р_обн сигнала на фоне нормального (гауссова) шума в соответствии с критерием Неймана-Пирсона определяется отношением сигнал/шум µ на входе решающего устройства с установленным в нем нормированным порогом α_п=U_п/σ_ш, где σ_ш - среднеквадратическое напряжение шума на входе решающего устройства, U_п - пороговое напряжение, вычисляется из выражения:

где

- интеграл вероятности, а вероятность ложных тревог Р_лт равна

Для обычно задаваемых при расчетах локационных систем величинах вероятностей обнаружения и ложных тревог требуемое отношение сигнал/шум определяется из выражения:

где Ф^-1(х) - обратный интеграл вероятности.

Если качество ФПУ известно (величина спектральной плотности шума G_ш), то на основании (16) можно рассчитать величину потребной энергии сигнала на входе ФПУ, которая достаточна для обработки в согласованном фильтре:

Вместо вероятности ложных тревог часто пользуются значением частоты ложных тревог F_лг, которая определяется выражением

где <f_ш> - среднеквадратическое значение полосы шума, которое в предположении относительной узкополосности тракта имеет выражение <f_ш>=(f₀ ²+Δf²/12)^1/2, причем f₀ - несущая частота сигнала (или центральная частота тракта), Δf - полоса пропускания приемного тракта, по отношению к которому вычисляется полоса шума, причем из выражения (18) обычно вычисляют величину порогового напряжения U_п, которое равно:

Полученное из (19) значение порогового напряжения подставляют в выражение (13) и находят вероятность обнаружения Р_обн для полученной величины отношения сигнал/ шум на выходе согласованного фильтра µ. В зависимости от поставленных условий либо принимают решение на увеличение времени обзора в заданном телесном угле, либо, наоборот, на уменьшение этого времени или на увеличение предельной дальности обнаружения локатора (либо на увеличение точности измеряемых параметров объекта).

Теперь обратимся к рассмотрению технической сущности действия локатора.

Излучение одночастотного газового лазера 1(фиг.1) непрерывного действия, например CO₂-лазера с длиной волны λ=10,6 мкм, с помощью приемно-передающего объектива 2 формируют с диаграммой излучения веерообразной формы - широкоугольной в угломестной плоскости с шириной Δε и узкоугольной в азимутальной плоскости с шириной Δβ с помощью специальной оптики, включающей сферически-цилиндрические склейки [27]. Узкая диаграмма в азимутальной плоскости обеспечивает требуемую разрешающую способность локатора по азимуту и согласуется с темпом углового сканирования зондирующего излучения с угловой скоростью Ω и временем цикла записи-считывания информации Т_ц, так что выполняется равенство Т_ц=Δβ/Ω. Широкоугольность диаграммы излучения в угломестной плоскости обеспечивает параллельный прием по всем элементам центрального столбца матрицы ФПУ 5, что исключает необходимость сканирования излучения по углу места, что существенно увеличивает время цикла Т_ц при заданном темпе сканирования по азимуту. При этом снижается вероятность пропуска цели в пространстве обзора.

Небольшая часть излучения лазера 1 проходит через отражательную пластину 3 с малым коэффициентом пропускания, формируется нужным образом в рассеивающем отражателе 4 и направляется на матрицу ФПУ 5 отражательной пластиной 3, выполняя функции фотогетеродинного сигнала, который смешивается с принимаемыми излучениями, отраженными как непосредственно от лоцируемого объекта 13, так и от бликов на поверхности моря 14, образующихся за счет рассеяния лоцируемым объектом 13 зондирующего излучения под разными углами. Учитывая, что лоцируемый объект является сравнительно малоразмерным, как, например, крылатая ракета морского базирования, следует считать такой объект как дифракционно ограниченный, и при этом сохраняется когерентность и одномодовость в принимаемом излучении, что позволяет проводить его когерентную обработку методом гетеродинирования (фотосмешения) оптических сигналов в ячейках матрицы ФПУ 5, на выходе которых возникает электрический сигнал разностной частоты между частотами зондирующего и отраженного излучений.

На фиг.1 показано, что на матрицу ФПУ 5 в произвольно заданный момент времени поступает шесть оптических сигналов - один, отраженный от лоцируемого объекта 13 и всегда размещенный на центральном столбце матрицы, и пять - от бликов морской поверхности. Эти ячейки матрицы ФПУ 5 показаны зачерненными. По положению таких работающих ячеек можно однозначно определить соответствующие азимуты и углы места всех направлений приходящих к локатору излучений, что обосновано геометрическими построениями хода лучей в приемном объективе 2 относительно плоскости изображений, находящейся практически в фокальной плоскости объектива.

Матрица ФПУ 5 имеет размерность km-элементов (k - число столбцов, m - число строк в матрице), поэтому многоканальный блок обработки информации 6 является km-канальным (фиг.2). Все каналы обработки идентичны по построению и характеристикам, поэтому достаточно рассмотреть действие одного из этих каналов. В текущем времени из km-каналов фактически работающими оказываются лишь небольшая их часть, например, K(t) - каналов, где K(t)<<km, что указывает на избыточность оборудования при параллельной обработке информации, однако ее необходимость вызывается случайным характером распределения K(t) работающих каналов в их общем числе km.

Поскольку в цикле записи-считывания информации априори неизвестно, какие из каналов окажутся работающими, необходимо параллельно задействовать в работу все каналы одновременно. Это достигается использованием на входе блока (фиг.2) km преобразователей частоты (смесителей) 15, 16, 17,…18, первые входы которых соединены с выходами ячеек матрицы ФПУ 5, а вторые входы параллельно подключены к выходу гетеродина линейно-частотно-модулированных колебаний 39 (ГЛЧМ), запускаемого синхроимпульсами (фиг.5а) с выхода импульсного генератора 40, формирующего период цикла записи-считывания Т_ц для данной серии измерения характеристик лоцируемого объекта. Частотно-временной вид сигнала ГЛЧМ указан на фиг.5б, а на фиг.5в жирными линиями показаны - частота входного сигнала (горизонтальная прямая) и частотно-временной вид сигнала на выходе соответствующего смесителя работающего канала - ЛЧМ-эквивалент входного сигнала. Преобразованный по частоте и спектру входной сигнал, действующий, например, на входе смесителя 15, в виде ЛЧМ-эквивалента поступает с выхода смесителя 15 на вход широкополосного усилителя 19, а затем поступает на вход согласованного с ЛЧМ-эквивалентом фильтра 23, выполненного на дисперсионной линии задержки, обеспечивающей «сжатие» ЛЧМ-эквивалента в сверхкороткий радиоимпульс длительностью t_имп (фиг.5г). Указанная дисперсионная линия задержки согласована с частотно-временной характеристикой ЛЧМ-эквивалента, то есть имеет ту же скорость изменения частоты во времени, обладает полосой пропускания ΔF_лз и длительностью импульсной характеристики τ_лз, с базой В=ΔF_лз τ_лз, составляющей величину порядка 1000 или более, что определяет высокую эффективность такой согласованной фильтрации, поскольку отношение сигнал/шум на выходе ДЛЗ возрастает в В^1/2 раз по сравнению с таковым на ее входе. Полоса пропускания ДЛЗ показана на фиг.5в горизонтальными пунктирными линиями. Полоса перестройки ЛЧМ-эквивалента ΔF_экв соотносится с полосой пропускания ДЛЗ ΔF_лз по правилу ΔF_экв-ΔF_лз≥ΔF_лз, где ΔF_вх - полоса разброса доплеровских сдвигов частоты на входе смесителя 15. При этом длительность импульсной характеристики ДЛЗ τ_лз соотносится с периодом цикла записи-считывания Т_ц по правилу Т_ц≥τ_лзΔF_экв/ΔF_лз, как это видно из фиг.5в. Длительность формируемого на выходе ДЛЗ радиоимпульса t_имп определяется полосой пропускания ДЛЗ ΔF_лз и равна t_имп=1/ΔF_лз. Так, при ΔF_лз=40 МГц, как на приведенном на фиг.5в примере, длительность импульса-отклика ДЛЗ t_имп=25 нс.

Если длительность импульсной характеристики ДЛЗ принять равной τ_лз=50 мкс для базы ДЛЗ В=40 МГц·50 мкс=2000, то при полосе неопределенности входного сигнала (разброса доплеровских сдвигов частоты) ΔF_вх=10 МГц период цикла Т_ц≥65 мкс при длительности обратного хода пилообразного сигнала ГЛЧМ порядка 2,5 мкс. Скорость частотной перестройки ЛЧМ-эквивалента при этом равна ΔF_лз/τ_лз=0,8·10¹² Гц/с, так что частотный диапазон входного сигнала ΔF_вх=10 МГц соответствует временному интервалу временного расположения импульса-отклика ДЛЗ, указанному на фиг.5г пунктирными вертикальными линиями, равному ΔT=τ_лзΔF_вх/ΔF_лз=12,5 мкс. При указанной длительности импульса отклика ДЛЗ t_имп число возможных независимых отсчетов R составляет R=ΔT/t_имп=τ_лзΔF_вх=500. Это определяет возможную разрешающую способность по частоте, равную Δf=ΔF_вх/R=1/τ_лз=20 кГц, что соответствует разрешающей способности локатора с СО₂-лазером по радиальной скорости ΔV=Δf·λ/2=0,1 м/с, что является превосходным результатом. За время цикла ΔT=65 мкс крылатая ракета, имеющая скорость порядка 300 м/с, пролетит путь ΔD=V·ΔT=0,02 м=2 см, что обеспечивает устойчивость бликового сигнала в течение всего цикла измерения.

Сигнал с выхода ДЛЗ 23 (фиг.2) после широкополосного усиления в компенсирующем усилителе 27 подвергается детектированию в амплитудном детекторе 31, а затем пороговому ограничению по минимуму в ограничителе 35, порог ограничения в котором U_п устанавливается в соответствие с выражением (19). Затем K(t) импульсных сигналов с соответствующих выходов многоканального блока обработки информации 6 параллельно поступают на входы многоканального определителя 7 угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности и многоканальный измеритель доплеровских сдвигов частоты 8 (соответственно фиг.3 и фиг.4).

Многоканальный определитель 7 (фиг.3) представляет собой матрицу размерностью km запоминающих устройств (ЗУ), типа D-триггеров, 41…56, счетные входы которых соединены с km выходами многоканального блока обработки информации 6. Структура этой матрицы ЗУ повторяет структуру матрицы ФПУ 5 по месторасположению ее ячеек. Выходы всех ЗУ образуют две группы шин - столбцовых (их число равно k) и строчных (их число равно m). Столбцовые шины подключены к первому запоминающему регистру сдвига 57, который запоминает в заданной последовательности K(t) двоичных кодов азимута, а строчные шины подключены ко второму запоминающему регистру сдвига 58, который запоминает в той же последовательности K(t) двоичных кодов углов места для K(t) направлений прихода к локатору переотраженных лоцируемьм объектом и бликами морской поверхности излучений с доплеровски смещенными частотами. При этом последовательность опроса ЗУ 41…56 проводится с помощью генератора-дешифратора 59, тактируемого импульсной последовательностью - сигналом «Цикл опроса», поступающего с выхода генератора опроса 78 (фиг.4). Генератор-шифратор формирует на своих km выходах сигналы опроса km ЗУ 41…56 последовательно во времени, например, двоичная единица последовательно переходит от выхода к выходу по всем km выходам в течение отрезка времени, существенно меньшего длительности цикла Т_ц, чтобы не помешать новому набору информации в ЗУ в следующем цикле, например, за время Т_ц/2 (для рассматриваемого примера - за время порядка 30 мкс). Тогда частота опроса F_ОПР находится из выражения F_ОПР=2km/Т_ц, то есть определяется размерностью матрицы ФПУ 5. Если k=32 и m=32 (km=1024), и внутренний генератор в устройстве 59 должен вырабатывать импульсные сигналы с частотой F_ОПР≈60 МГц, которыми запускается пересчетная схема (двоичный счетчик), а образующимися на его выходах кодовыми комбинациями запускается шифратор с km выходными шинами, подключенными к входам считывания данных с последовательности всех km ЗУ 41…56. Результаты опроса параллельно записываются в первый 57 и второй 58 запоминающие сдвиговые регистры, что позволяет параллельно записную информацию в ЗУ последовательно во времени обрабатывать по всем K(t) записям работающих каналов. С регистра 57 в кодовом представлении и последовательно во времени выдается информация об азимутах принятых локатором направлений излучения, а с регистра 58 передается информация об углах места для тех же направлений приходящего к локатору в данном цикле K(t) излучений. И эти два кодовых потока взаимно синхронизированы, так что одномоментно выдается кодовая информация об азимуте и угле места одного и того же регистрируемого направления.

На фиг.3 наклонными стрелками к ЗУ 41…56 показаны соединения с многоканальным блоком обработки информации 6, а стрелки от выходов генератора-дешифратора 59 не показаны соединенными с этими ЗУ, чтобы блок-схема была более читаема.

Отметим, что импульсный сигнал «Сброс цикла», вырабатываемый в импульсном генераторе 40 (фиг.2), и импульсный сигнал «Цикл опроса», вырабатываемый в генераторе опроса (на его втором выходе!) 78 (фиг.4), строго одинаковы по частоте, но имеют временную задержку импульсных последовательностей друг относительно друга (разные фазы), что связано с различием моментов времени формирования ЛЧМ сигнала в ГЛЧМ 39 и начала обработки принятой информации предыдущего цикла в новом цикле.

Структура многоканального измерителя доплеровских сдвигов частоты 8 (фиг.1) представлена на фиг.4. Она предназначена для параллельной записи K(t) временных положений импульсов-откликов для соответствующих K(t) работающих ДЛЗ, характеризующих значения доплеровских сдвигов частоты по конкретно обозначенным номерам ячеек матрицы ФПУ 5, с последующей последовательной выборкой этих данных и содержит km элементов «И» (схем совпадений) 60, 61, 62,…63, первые входы которых подключены к выходам многоканального блока обработки информации 6, а вторые входы параллельно подключены к выходу высокочастотного тактового генератора импульсов 64, с помощью которого можно одновременно записать в многоразрядных запоминающих элементах 65, 66, 67,…68 всю поступающую информацию по K(t) из km каналов обработки. Тактовая частота генератора 64 должна быть такой, чтобы не пропустить ни одного временного интервала длительностью t_имп из полного интервала ΔT, то есть для рассматриваемого примера должна быть не ниже ΔF_лз=40 МГц. Запись информации о моментах времени t появления на тех или иных многоразрядных запоминающих элементах 65, 66, 67,…68 импульсов-откликов соответствующих работающих ДЛЗ происходит по входам записи от последовательно изменяющихся кодов, поступающих с выхода пересчетной схемы 69 (двоичного счетчика), на вход которой поступают счетные импульсы с выхода высокочастотного тактового генератора импульсов 64. По окончании цикла записи информации в рассматриваемом цикле в многоразрядных запоминающих элементах 65, 66, 67,…68 происходит параллельный перенос этой кодовой информации в двоичные сумматоры 70, 71, 72,…73, в каждом из которых жестко записаны коды номеров ячеек матрицы ФПУ 5, с которыми суммируется информация от многоразрядных запоминающих элементов 65, 66, 67,…68. Таким образом, двоично-кодовая информация, возникающая на выходах двоичных сумматоров 70, 71, 72,…73, содержит данные как о номере ячейки матрицы ФПУ 5, которая облучена в рассматриваемом цикле переотраженным излучением, так и о доплеровском сдвиге частоты в рассматриваемом излучении (по данному направлению).

Эта кодовая информация с двоичных сумматоров 70, 71, 72,…73 параллельно передается через многоразрядные ячейки памяти 74, 75, 76,…77, перезапись в которые осуществляется в новом цикле, чтобы освободить место для новых записей в многоразрядные запоминающие элементы 65, 66, 67,…68, в накопительный регистр сдвига-шифратор 79, формирующий информацию о доплеровских сдвигах частоты для всех ячеек матрицы ФПУ 5, а затем последовательно передается на вход вычислителя характеристик лоцируемого объекта 9 (фиг.1), сихронно с данными, передаваемыми на этот вычислитель с выхода многоканального определителя угловых координат 7. Запись в регистр сдвига-шифратор 79 происходит при подаче на параллельно объединенные управляющие входы многоразрядных ячеек памяти 74, 75, 76,…76 импульсного сигнала с выхода генератора опроса 78, следующего с частотой «Сигнала опроса» с соответствующей фазой.

Кодовые сигналы с выходов многоканального определителя 7 угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности и многоканального измерителя доплеровских сдвигов частоты 8 поступают циклично с периодом Т_ц на вычислитель характеристик лоцируемого объекта 9, работа которого теоретически рассмотрена выше для частного случая расположения бликов, раскрыва локатора и лоцируемого объекта на одной плоскости. Аналогично могут быть рассчитаны характеристики лоцируемого объекта в общем случае произвольного расположения бликов на морской поверхности. Теоретическое рассмотрение в силу его громоздкости опускается в данной заявке. При расчетах по многим произвольно распределенным на морской поверхности бликам в каждом цикле в вычислителе 9 последовательно с поступлением кодовой информации решаются K(t) - 2 частные задачи по нахождению характеристик лоцируемого объекта, и эти совокупные решения поступают затем раздельно по трем каналам - высоты Н, наклонной дальности D и вектора скорости V - в статистический усреднитель измеряемых характеристик 10, с помощью которого эти данные уточняются известными статистическими приемами, в частности, находится математическое ожидание измеряемых характеристик и дисперсия, определяются максимумы и минимумы соответствующих характеристик, принимается решение об удалении из расчетов ошибочно полученных результатов измерения и т.д. Кроме того, в статистическом усреднителе 10 сглаживаются временные функции, характеризующие параметры движения лоцируемого объекта за несколько циклов измерения, что позволяет уточнить траекторию и темп движения лоцируемого объекта во времени. Это дает возможность принять надлежащее решение на поражение этого объекта противника и рассчитать момент открытия заградительного огня.

В расчетах, производимых вычислителем 9, необходимо учитывать известные параметры топографической привязки корабля, высоты раскрыва локатора (его реперной точки) над поверхностью моря и азимута ориентации диаграммы излучения, которые постоянно могут изменяться при движении корабля, для чего блок топографической привязки 12 и блок сканирования по азимуту 11 зондирующего излучения связаны с вычислителем 9 (фиг.1). Следует также учитывать неизбежную качку корабля, вызывающую пространственное смещение реперной точки А (фиг.6). Решение полной локационной задачи с учетом динамики движения корабля делает особенно актуальным применение статистического усреднителя 10 измеряемых характеристик лоцируемого объекта. Повышению точности этих характеристик способствует снижение угловой расходимости сформированной диаграммы излучения в плоскости азимута Δβ, обеспечиваемой, в первом приближении, размером апертуры приемного объектива локатора и согласованным с ним диаметром ячеек матрицы ФПУ 5. Однако следует иметь в виду, что сужение диаграммы излучения по азимуту приводит к снижению угловой скорости азимутального поиска цели, так как Ω=Δβ/Т_ц, и для рассмотренного выше примера при Δβ=0,1 мрад и Т_ц=65 мкс угловая скорость сканирования пространства по азимуту достигает величины Ω=1,5 рад/с, то есть приблизительно один оборот за четыре секунды, что вполне приемлемо.

Настоящее техническое решение может быть осуществлено на специализированных предприятиях с привлечением организаций электронной, оптико-механической и радиотехнической промышленности. Надлежит разработать приемно-передающую оптику, позволяющую сформировать веерообразное излучение мощного одночастотного газового лазера непрерывного действия, малошумящее матричное ФПУ на элементах КРТ с охлаждением жидким азотом, стабилизировать излучение лазера по частоте (обеспечить высокую кратковременную стабильность), разработать дисперсионные линии задержки на полосковых линиях в интегральном исполнении с большой величиной базы и приемлемым затуханием, разработать элементы цифровой техники для блоков обработки информации, вычислителя и статистического усреднителя с учетом многоканальности. Особое значение приобретает работа по теоретическому и экспериментальному исследованию статистической задачи бликующей морской поверхности, выявления характеристик эффективной площади рассеяния бликов и рассеивающих характеристик лоцируемых объектов для проведения энергетических расчетов предельной дальности обнаружения малоразмерных целей типа крылатых ракет морского базирования и измерения координат таких объектов одновременно с их обнаружением.

Литература

1. Лазерная локация. Под ред. Н.Д.Устинова. М.: Машиностроение, 1984.

2. Протопопов В.В., Н.Д.Устинов. Инфракрасные лазерные локационные системы. М.: Воениздат, 1987.

3. Измерение спектро-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения. Под ред. А.Ф.Котова и Б.М.Степанова. М.: Радио и связь, 1982.

4. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы, пер. с англ. Под ред. В.С.Кильзона. М.: Сов.радио, 1971.

5. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Под ред. Г.Мэттьюза. М.: Сов.радио, 1981, 472 с.

6. Тверской В.И. Дисперсионно-временные методы измерения спектров радиосигналов. М.: Сов.радио, 1974, 240 с.

7. Джек А.А., Грант П.М., Коллинз Дж. Х. Теория проектирования и применение Фурье-процессоров на поверхностных акустических волнах, ТИИЭИР, 1980, №4, р.22-43.

8. Меньших О.Ф. Формирователь сложных линейно-частотно-модулированных сигналов. Авт.свид. СССР №1302987, 1985.

9. Меньших О.Ф. Способ анализа спектра сигналов. Авт.свид. СССР, №1817554, 1988.

10. Меньших О.Ф. Измеритель частоты сигналов лазерного доплеровского локатора. Авт.свид. СССР №1621728 и авт.свид. СССР №1621729, 1988.

11. Меньших О.Ф. Спектроанализатор лазерного доплеровского локатора. Авт.свид СССР №1595219, 1988.

12. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Авт.свид. СССР №1741553, 1990.

13. Меньших О.Ф. Способ обнаружения детерминированного радиосигнала. Авт.свид. СССР №1828280, 1991.

14. Меньших О.Ф. Обнаружитель лазерного доплеровского локатора. Авт.свид. СССР №1805756 и №1829640, 1991.

15. Меньших О.Ф. Устройство для частотной модуляции лазера. Авт.свид. СССР №1373188, 1985.

16. Меньших О.Ф. Способ измерения кратковременной стабильности частоты излучения газового лазера. Авт.свид. СССР №1554719, 1987.

17 Меньших О.Ф. Обнаружитель моноимпульсного сигнала. Патент РФ №2046370, 1992.

18. Отчет о НИР предприятия п/я Р-6681, инв.№М-12749, 1989.

19. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов.радио, 1974, кн.1 и 2.

20. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, 320 с.

21. Меньших О.Ф. Ультразвуковой микроскоп. Патент РФ №2270997, №6, 2006.

22. Меньших О.Ф. Устройство для измерения динамических характеристик пьезокорректора лазера. Авт.свид. СССР №1630585, 1988.

23. Меньших О.Ф. Способ измерения базы дисперсионных линий задержки. Авт.свид. СССР №1574036, 1988.

24. Меньших О.Ф. Устройство для измерения кратковременной стабильности частоты излучений газовых лазеров. Авт.свид. СССР №1556291, 1988.

25. Меньших О.Ф. Устройство автоподстройки частоты лазерного доплеровского локатора. Авт.свид. СССР №1591675

26. Меньших О.Ф. Устройство для измерения вариации частоты лазерного излучения в системе связанных лазеров. Авт.свид. СССР №1621732, 1988.

27. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

Claims (1)

1. Лазерный когерентный локатор, содержащий одночастотный газовый лазер непрерывного действия, например СО₂-лазер, связанный с лоцируемым объектом, например низколетящей крылатой ракетой морского базирования, и гетеродинным фотоприемным устройством через светоделительный элемент и приемно-передающий объектив, а также многоканальный блок обработки информации, соединенный с выходом гетеродинного фотоприемного устройства, блок сканирования по азимуту зондирующего излучения, сформированного приемно-передающим объективом в форме веерообразного излучения - широкоугольного по углу места и узкоугольного по азимуту, и связанный с последним блок топографической привязки, отличающийся тем, что гетеродинное фотоприемное устройство выполнено в виде матрицы из набора фоточувствительных элементов, например, на основе охлаждаемых жидким азотом элементов KdHgTl-соединения, выходы которых подключены к соответствующим входам многоканального блока обработки информации, состоящего из последовательно включенных канальных преобразователей частоты входных сигналов с сигналом линейно-частотно-модулированного гетеродина, канальных широкополосных усилителей, многоканального согласованного фильтра «сжатия» на основе дисперсионных линий задержки, канальных компенсирующих усилителей, канальных амплитудных детекторов, связанных с ограничителями по минимуму, а также включает параллельно подключенные к выходам многоканального блока обработки информации многоканальный блок определения угловых координат на лоцируемый объект и бликующие элементы морской поверхности и многоканальный блок измерения доплеровских сдвигов частоты принимаемых переотражений лоцируемым объектом зондирующего излучения для него самого и соответствующих бликующих элементов морской поверхности, причем выходы многоканальных блоков определения угловых координат и измерения доплеровских сдвигов частоты для соответствующих принятых излучений подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя характеристик лоцируемого объекта - его высоты полета, наклонной дальности и вектора скорости, третий вход которого соединен с блоком топографической привязки, а выходы вычислителя характеристик лоцируемого объекта соединены со статистическим усреднителем измеряемых характеристик в текущем времени, при этом прием отраженных излучений осуществлен как непосредственно от лоцируемого объекта, так и от морских бликов, образованных от рассеяния зондирующего излучения поверхностью лоцируемого объекта под разными углами рассеяния.

Images