RU2774156C1

RU2774156C1 - Radar with continuous emission of broadband linear-frequency-modulated signal with wide-angle electronic scanning of the directivity pattern of the antenna

Info

Publication number: RU2774156C1
Application number: RU2021115320A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Голик; Юрий Аркадьевич Шишов; Юрий Евгеньевич Тостуха; Олег Александрович Таргаев; Сергей Викторович Дворников; Андрей Николаевич Заседателев
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-06-15

Abstract

FIELD: radio location.

SUBSTANCE: invention relates to radio location equipment and can be used in designing and creating digital radio location stations (radars) with a broadband continuous linear-frequency-modulated signal and wide-angle electronic scanning of the directivity pattern of the antenna. The claimed radar includes a CPU and a slot-waveguide antenna array. The CPU includes: a controller, a digital synthesiser of a broadband continuous probing LFM signal, a sensor of the angular positions of the main lobe of the directivity pattern of the antenna, a first and a second M-channel digital complex adders, an apparatus for processing the sum "beat" signal, apparatuses for primary and secondary processing of radio location information, an apparatus for displaying the results of the radar scan of the space, the output whereof is the information output of the radar. The slot-waveguide antenna array includes M transciever modules (TM) with linear slot-waveguide emitters. Each TM includes two channels - transmitting and receiving, as well as a circulator with a slot-waveguide emitter, a digital weighting factor forming unit, and a digital quadrature demodulator, common to both channels. The transmitting channel of each digital TM includes a first I-channel digital bandpass filter unit, a digital complex multiplier, a digital complex adder, and the input of the first I-channel digital bandpass filter unit is connected to the output of the digital synthesiser of the LFM signal. The receiving channel of each digital TM includes a low-noise amplifier, an analogue-to-digital converter, second I-channel units of digital bandpass filters, digital complex multiplier, digital complex adder, wherein the control inputs of the second I-channel digital multiplier are connected to the corresponding outputs of the digital weighting factor forming unit.

EFFECT: development of a radar with a broadband continuous probing LFM signal and wide-angle electronic scanning of the directivity pattern of the antenna, providing the formation of a two-dimensional directivity pattern, an increase in the diagram formation accuracy, electronic control of the directivity pattern in a wide angular sector with the correction of the distortions of the phase structure of the signal spectrum and the amplitude-phase distribution of the field at the aperture of the antenna, occurring as a result.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано при проектировании и создании цифровых радиолокационных станций (РЛС) с широкополосным непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом и с широкоугольным электронным сканированием диаграммы направленности антенны.The invention relates to radar engineering and can be used in the design and creation of digital radar stations (RLS) with a broadband continuous linear frequency modulated (chirp) signal and with wide-angle electronic scanning of the antenna pattern.

Известна радиолокационная станция с непрерывным ЛЧМ-сигналом [1], недостаток которой состоит в ограниченной области возможного применения - боковой обзор земной поверхности, для чего РЛС устанавливают на борту летательного аппарата, который должен перемещаться в пространстве с постоянной скоростью и прямолинейно, что необходимо для синтеза узкой диаграммы направленности.Known radar station with a continuous chirp signal [1], the disadvantage of which is a limited area of possible application - a side view of the earth's surface, for which the radar is installed on board the aircraft, which must move in space at a constant speed and in a straight line, which is necessary for the synthesis narrow beam pattern.

Известны радиолокационные станции с непрерывным излучением ЛЧМ-сигнала [2-4], в состав которых обычно входят передатчик 1, циркулятор 2, приемно-передающая антенна 3, малошумящий усилитель (МШУ) 4, смеситель 5, фильтр низких частот (ФНЧ) 6, спектроанализатор 7 (фиг. 1).Known radar stations with continuous emission of a chirp signal [2-4], which usually include a transmitter 1, a circulator 2, a transmit-receive antenna 3, a low-noise amplifier (LNA) 4, a mixer 5, a low-pass filter (LPF) 6, spectrum analyzer 7 (Fig. 1).

Приведенная на фиг. 1 схема работает следующим образом. На несущей частоте ƒ₀ антенна 3 излучает широкополосный (например, ЛЧМ) непрерывный сигнал. Одновременно с излучением антенна 3 принимает отраженный от цели сигнал. Усиленный МШУ 4 сигнал поступает на смеситель 5, опорным (гетеродинным) сигналом которого служит излучаемый сигнал. На выходе смесителя формируется низкочастотный сигнал «биений», который отфильтровывается ФНЧ 5 и поступает на вход спектроанализатора 6. Спектр мощности сигнала «биений» однозначно отображает ЭПР и дальность до объектов. Такую РЛС с непрерывным зондирующим сигналом, в которой генератор передатчика одновременно служит и местным гетеродином, иногда называют гомодинной [3].Shown in FIG. 1 scheme works as follows. At a carrier frequency ƒ ₀ antenna 3 emits a broadband (eg, chirp) continuous signal. Simultaneously with the radiation, the antenna 3 receives the signal reflected from the target. The amplified LNA 4 signal is fed to the mixer 5, the reference (heterodyne) signal of which is the emitted signal. At the output of the mixer, a low-frequency "beat" signal is formed, which is filtered out by the low-pass filter 5 and fed to the input of the spectrum analyzer 6. The power spectrum of the "beat" signal unambiguously displays the RCS and the distance to objects. Such a radar with a continuous sounding signal, in which the transmitter generator simultaneously serves as a local heterodyne, is sometimes called homodyne [3].

Достоинство гомодинных аналогов состоит в относительной простоте их технической реализации, поэтому они нашли широкое применение при решении различных задач [5], в то же время основной недостаток таких аналогов состоит в низком энергетическом потенциале, что объясняется нарушением линейности функционирования МШУ 4 при мощности сигнала на его входе больше 30-50 мВт и линейности смесителя при мощности сигнала на его входе более 10 мВт [4, 6].The advantage of homodyne analogs is the relative simplicity of their technical implementation, so they are widely used in solving various problems [5], at the same time, the main disadvantage of such analogs is the low energy potential, which is explained by the violation of the linearity of the operation of the LNA 4 when the signal power on its the input is greater than 30-50 mW and the linearity of the mixer when the signal power at its input is more than 10 mW [4, 6].

Для повышения энергетического потенциала гомодинной РЛС авторами работ [4, 6] предложено пространственное распараллеливание каналов передачи и приема. На основании выводов работ [4, 6] авторами предложена радиолокационная станция с широкополосным ЛЧМ-сигналом, основу которой составляют приемно-передающие модули (ППМ) [7]. В состав каждого модуля входят передающий и приемный каналы со своими передающими и приемными антенными элементами, которые образуют две идентичные М-канальные антенные решетки - передающую и приемную, каждая из которых представляет собой линейную антенную решетку.To increase the energy potential of a homodyne radar, the authors of [4, 6] proposed spatial parallelization of the transmission and reception channels. Based on the conclusions of works [4, 6], the authors proposed a radar station with a broadband chirp signal, which is based on receiving-transmitting modules (RTMs) [7]. Each module includes transmitting and receiving channels with their own transmitting and receiving antenna elements, which form two identical M-channel antenna arrays - transmitting and receiving, each of which is a linear antenna array.

В состав приемного канала каждого из ППМ входят последовательно соединенные управляемый фазовращатель, умножитель частоты радиосигнала, два полосовых фильтра, усилитель мощности, смеситель, малошумящий усилитель, управляемый аттенюатор.The receiving channel of each PPM includes a controlled phase shifter, a radio signal frequency multiplier, two bandpass filters, a power amplifier, a mixer, a low-noise amplifier, and a controlled attenuator connected in series.

В состав передающего канала каждого из ППМ входят последовательно соединенные управляемый фазовращатель, умножитель частоты радиосигнала, полосовой фильтр, управляемый аттенюатор.The structure of the transmitting channel of each of the PPM includes a controlled phase shifter, a radio signal frequency multiplier, a band pass filter, and a controlled attenuator connected in series.

Данная РЛС наиболее близка предлагаемому техническому решению и поэтому выбрана в качестве его прототипа.This radar is the closest to the proposed technical solution and therefore was chosen as its prototype.

Выбранный прототип имеет следующие недостатки:The selected prototype has the following disadvantages:

все элементы и узлы прототипа являются аналоговыми, известная нестабильность параметров которых влияет на качество формирования диаграммы направленности антенны и точность управления угловым положением ее главного лепестка;all elements and components of the prototype are analog, the known instability of the parameters of which affects the quality of the formation of the antenna pattern and the accuracy of controlling the angular position of its main lobe;

управление диаграммой направленности антенной системы осуществляется независимыми фазовращателями в передающем и приемном каналах каждого ППМ, что ввиду низкой стабильности параметров аналоговых фазовращателей и дискретности их управления приводит к независимым ошибкам углового положения главных лепестков приемной и передающей диаграмм направленности, что в конечном счете ведет к расфазировке антенной системы;the control of the antenna system radiation pattern is carried out by independent phase shifters in the transmitting and receiving channels of each PPM, which, due to the low stability of the parameters of analog phase shifters and the discreteness of their control, leads to independent errors in the angular position of the main lobes of the receiving and transmitting radiation patterns, which ultimately leads to the dephasing of the antenna system ;

антенная система прототипа формирует узкую диаграмму направленности только в азимутальной плоскости, а в угломестной плоскости диаграмма направленности системы определяется только диаграммой направленности одиночного излучателя (передающего и приемного), которая всегда достаточно широкая, что ведет к существенному снижению характеристик РЛС вследствие влияния отражений от подстилающей поверхности;the antenna system of the prototype generates a narrow radiation pattern only in the azimuth plane, and in the elevation plane the radiation pattern of the system is determined only by the radiation pattern of a single emitter (transmitting and receiving), which is always wide enough, which leads to a significant decrease in the characteristics of the radar due to the influence of reflections from the underlying surface;

в прототипе не предусмотрены меры по коррекции искажений амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны, возникающих при широкополосном зондировании и широкоугольном электронном обзоре пространства. Дело в том, что при распространении монохроматической электромагнитной волны с частотой f₀ набег фазы на расстоянии

составляет

В случае распространения широкополосного сигнала частота i-й гармоники спектра может отличаться на ±10-20% от несущей частоты, поэтому каждая гармоническая составляющая широкого спектра получает свой набег фазы при распространении волны на одно и то же расстояние, что ведет к разрушению фазовой структуры спектра, а следовательно, к искажению амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны, искажению формы сигнала и диаграммы направленности антенны;the prototype does not provide for measures to correct distortions of the amplitude-phase distribution of the field at the antenna aperture, arising from broadband sensing and wide-angle electronic space survey. The fact is that during the propagation of a monochromatic electromagnetic wave with a frequency f ₀ , the phase incursion at a distance

is

In the case of propagation of a broadband signal, the frequency of the i-th harmonic of the spectrum may differ by ±10-20% from the carrier frequency, therefore, each harmonic component of the wide spectrum receives its own phase shift when the wave propagates over the same distance, which leads to the destruction of the phase structure of the spectrum , and consequently, to the distortion of the amplitude-phase distribution of the field at the antenna aperture, the distortion of the signal shape and the antenna pattern;

в прототипе применена разводка зондирующего сигнала по входам ППМ на промежуточной частоте с последующим ее умножением до значения несущей частоты. Так, если промежуточная частота 100 МГц, а несущая 10 ГГц, то потребуется коэффициент умножения, равный 100. В то же время существующие умножители обеспечивают коэффициент умножения от 2 до 6 (например [8, 9]. В таком случае частота входного сигнала должна быть всего в 2-6 раз ниже требуемой частоты 10 ГГц, а это уже не промежуточная, а сверхвысокая частота, что делает систему разводки зондирующего сигнала по входам ППМ сложной и громоздкой, приводящей к искажениям спектра сигнала.the prototype used the wiring of the probing signal to the inputs of the RPM at an intermediate frequency, followed by its multiplication to the value of the carrier frequency. So, if the intermediate frequency is 100 MHz, and the carrier is 10 GHz, then a multiplication factor of 100 is required. At the same time, existing multipliers provide a multiplication factor from 2 to 6 (for example [8, 9]. In this case, the input signal frequency should be only 2-6 times lower than the required frequency of 10 GHz, and this is no longer an intermediate, but an ultra-high frequency, which makes the system for distributing the probing signal through the inputs of the PPM complex and cumbersome, leading to signal spectrum distortions.

В соответствии с изложенным, целью изобретения является разработка радиолокационной станции с широкополосным непрерывным зондирующим ЛЧМ-сигналом и с широкоугольным электронным санированием диаграммы направленности антенны, обеспечивающей формирование двумерной диаграммы направленности, повышение точности диаграммообразования на основе перехода к цифровому методу формирования диаграммы направленности и согласованному управлению диаграммой направленности в режимах излучения и приема радиосигналов, электронное управление диаграммой направленности в широком угловом секторе с коррекцией возникающих при этом искажений фазовой структуры спектра сигнала и амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны.In accordance with the foregoing, the aim of the invention is to develop a radar station with a broadband continuous sounding chirp signal and with wide-angle electronic sanitization of the antenna radiation pattern, providing the formation of a two-dimensional radiation pattern, increasing the accuracy of beam formation based on the transition to a digital beamforming method and consistent beam control in the modes of radiation and reception of radio signals, electronic control of the radiation pattern in a wide angular sector with correction of the resulting distortions in the phase structure of the signal spectrum and the amplitude-phase distribution of the field at the antenna aperture.

Указанная цель достигается тем, что в состав каждого m-го приемно-передающего модуля (ППМ) антенной решетки, содержащего передающий и приемный каналы, при этом в состав передающего канала входит усилитель мощности, а в состав приемного канала входит малошумящий усилитель, согласно предложенному техническому решению дополнительно введены общие для передающего и приемного каналов каждого ППМ циркулятор с линейным волноводно-щелевым излучателем, цифровой квадратурный демодулятор, выход которого связан с m-м входом первого М-канального цифрового комплексного сумматора, а также блок формирования цифровых весовых коэффициентов, вход которого связан с выходом датчика угловых положений главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки, а в состав передающего канала дополнительно введены последовательно соединенные первый I-канальный блок цифровых полосовых фильтров, первый I-канальный цифровой комплексный умножитель, первый I-канальный цифровой комплексный сумматор, первый выход которого связан с входом цифро-аналогового преобразователя, а второй - с гетеродинным входом цифрового квадратурного демодулятора, при этом выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с входом циркулятора, а вход первого I-канального блока цифровых полосовых фильтров соединен с выходом цифрового синтезатора ЛЧМ-сигнала, причем управляющие входы первого I-канального комплексного умножителя соединены с соответствующими выходами блока формирования цифровых весовых коэффициентов, при этом в состав приемного канала ППМ дополнительно введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, второй I-канальный блок цифровых полосовых фильтров, второй I-канальный цифровой комплексный умножитель, второй I-канальный цифровой комплексный сумматор, первый выход которого соединен с сигнальным входом цифрового квадратурного демодулятора, а второй - c m-м входом второго М-канального цифрового комплексного сумматора, а вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом малошумящего усилителя, причем управляющие входы второго I-канального цифрового комплексного умножителя соединены с соответствующими выходами блока формирования цифровых весовых коэффициентов.This goal is achieved by the fact that each m-th receiving-transmitting module (RTM) of the antenna array containing transmitting and receiving channels, while the transmitting channel includes a power amplifier, and the receiving channel includes a low-noise amplifier, according to the proposed technical The solution additionally introduces a circulator with a linear slotted waveguide emitter common to the transmitting and receiving channels of each PPM, a digital quadrature demodulator, the output of which is connected to the m-th input of the first M-channel digital complex adder, and a block for generating digital weight coefficients, the input of which is connected with the output of the angular position sensor of the main lobe of the antenna array radiation pattern, and the first I-channel block of digital band-pass filters, the first I-channel digital complex multiplier, the first I-channel digital complex adder, the first output of which are additionally connected in series to the transmitting channel the first is connected to the input of the digital-to-analog converter, and the second - to the heterodyne input of the digital quadrature demodulator, while the output of the digital-to-analog converter is connected to the input of the power amplifier, the output of which is connected to the input of the circulator, and the input of the first I-channel block of digital bandpass filters is connected with the output of a digital synthesizer of a chirp signal, moreover, the control inputs of the first I-channel complex multiplier are connected to the corresponding outputs of the block for generating digital weight coefficients, while the series-connected analog-to-digital converter, the second I-channel block of digital bandpass filters, the second I-channel digital complex multiplier, the second I-channel digital complex adder, the first output of which is connected to the signal input of the digital quadrature demodulator, and the second - to the m-th input of the second M-channel digital complex adder, and the analog-to-digital input The new converter is connected to the output of the low-noise amplifier, and the control inputs of the second I-channel digital complex multiplier are connected to the corresponding outputs of the digital weighting unit.

Дополнительное введение циркуляторов с линейными волноводно-щелевыми излучателями, во-первых, обеспечивает согласованное формирование и управление диаграммой направленности антенны в режимах излучения и приема, т.е. исключает расфазировку антенной системы, а, во-вторых, обеспечивает построение двумерной волноводно-щелевой антенной решетки с формированием диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях.The additional introduction of circulators with linear slotted waveguide radiators, firstly, ensures the coordinated formation and control of the antenna pattern in the modes of transmission and reception, i.e. eliminates the misphasing of the antenna system, and, secondly, provides the construction of a two-dimensional waveguide-slot antenna array with the formation of a radiation pattern in the azimuth and elevation planes.

Дополнительное введение цифрового квадратурного демодулятора обеспечивает полностью цифровую техническую реализацию ППМ предлагаемой радиолокационной станции, а введение I-канальных блоков цифровых полосовых фильтров, блоков формирования цифровых весовых коэффициентов, I-канальных цифровых комплексных умножителей и сумматоров обеспечивают цифровое формирование и управление диаграммой направленности волноводно-щелевой антенной решетки для каждого узкополосного участка широкополосного спектра зондирующего сигнала с последующим объединением полученных результатов, что исключает искажения фазовой структуры спектра ЛЧМ-сигнала и амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны при широкополосном зондировании и широкоугольном электронном обзоре пространства и повышает точность формирования и электронного управления диаграммой направленности.The additional introduction of a digital quadrature demodulator provides a fully digital technical implementation of the PPM of the proposed radar station, and the introduction of I-channel blocks of digital band-pass filters, blocks for generating digital weight coefficients, I-channel digital complex multipliers and adders provide digital formation and control of the radiation pattern of a waveguide-slot antenna gratings for each narrow-band section of the broadband spectrum of the probing signal, followed by combining the results obtained, which eliminates distortions in the phase structure of the chirp signal spectrum and the amplitude-phase distribution of the field at the antenna aperture during broadband sounding and wide-angle electronic survey of space and increases the accuracy of formation and electronic control of the radiation pattern .

Применение цифровых волоконно-оптических линий (ВОЛС) для связи блоков центрального процессора РЛС со всеми ППМ исключает необходимость разводки зондирующего сигнала по всем ППМ на СВЧ, что упрощает конструкцию системы разводки и снижает энергетические потери и искажения формы зондирующего сигнала.The use of digital fiber-optic lines (FOCL) for communication of the radar central processor units with all PPMs eliminates the need to route the probing signal to all PPMs on the microwave, which simplifies the design of the wiring system and reduces energy losses and distortions of the probing signal shape.

Таким образом, отличия предлагаемого технического решения от его прототипа обеспечивают достижение поставленной перед изобретением цели.Thus, the differences of the proposed technical solution from its prototype ensure the achievement of the goal set for the invention.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется рисунками на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 приведена структурная схема РЛС непрерывного излучения зондирующего ЛЧМ-сигнала с волноводно-щелевой антенной решеткой, на фиг. 3 - структурная схема приемно-передающего модуля волноводно-щелевой антенной решетки.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the figures in Fig. 2 and 3. In FIG. 2 shows a block diagram of a radar station of continuous emission of a probing chirp signal with a waveguide-slotted antenna array, in FIG. 3 is a block diagram of a receiving-transmitting module of a waveguide-slotted antenna array.

В состав структурной семы РЛС (фиг. 2) входят центральный процессор 8 РЛС и волноводно-щелевая антенная решетка 9. В свою очередь, в состав центрального процессора 8 входят: контроллер 10, цифровой синтезатор 11 широкополосного непрерывного зондирующего ЛЧМ-сигнала, датчик 12 угловых положений главного лепестка диаграммы направленности антенны, первый М-канальный цифровой комплексный сумматор 13, устройство 14 обработки суммарного сигнала «биений», второй М-канальный цифровой комплексный сумматор 15, устройство 16 первичной обработки радиолокационной информации, устройство 17 вторичной обработки радиолокационной информации, устройство 18 отображения результатов радиолокационного обзора пространства, выход 25 которого является информационным выходом РЛС.The composition of the structural seme of the radar (Fig. 2) includes the central processor 8 of the radar and the waveguide-slot antenna array 9. In turn, the composition of the central processor 8 includes: controller 10, digital synthesizer 11 of a broadband continuous probing chirp signal, sensor 12 positions of the main lobe of the antenna pattern, the first M-channel digital complex adder 13, the device 14 for processing the total signal "beats", the second M-channel digital complex adder 15, the device 16 for the primary processing of radar information, the device 17 for the secondary processing of radar information, the device 18 displaying the results of a radar survey of space, the output 25 of which is the information output of the radar.

В состав волноводно-щелевой антенной решетки 9 входят Μ приемно-передающих модулей (ППМ) 19 с линейными волноводно-щелевыми излучателями 20. В состав каждого ППМ 19 (фиг. 3) входят два канала - передающий и приемный, а также общие для обоих каналов циркулятор 32 с волноводно-щелевым излучателем 27, блок формирования цифровых весовых коэффициентов 28 и цифровой квадратурный демодулятор 38.The composition of the waveguide-slot antenna array 9 includes Μ transceiver modules (RPM) 19 with linear waveguide-slot emitters 20. Each RPM 19 (Fig. 3) includes two channels - transmitting and receiving, as well as common to both channels a circulator 32 with a waveguide-slot emitter 27, a block for generating digital weight coefficients 28, and a digital quadrature demodulator 38.

В состав передающего канала каждого цифрового ППМ входят первый I-канальный блок 26 цифровых полосовых фильтров, первый I-канальный цифровой комплексный умножитель 7, первый I-канальный цифровой комплексный сумматор 29, первый выход которого соединен с гетеродинным входом цифрового квадратурного демодулятора 38, а второй выход соединен с входом цифро-аналогового преобразователя 30, выход которого соединен с входом усилителя мощности 31, а вход первого I-канального блока цифровых полосовых фильтров 26 посредством волоконно-оптической линии связи 21 подключен к выходу цифрового синтезатора 11 ЛЧМ-сигнала.The transmitting channel of each digital PPM includes the first I-channel digital bandpass filter unit 26, the first I-channel digital complex multiplier 7, the first I-channel digital complex adder 29, the first output of which is connected to the heterodyne input of the digital quadrature demodulator 38, and the second the output is connected to the input of the digital-to-analog converter 30, the output of which is connected to the input of the power amplifier 31, and the input of the first I-channel block of digital band-pass filters 26 is connected to the output of the digital synthesizer 11 of the chirp signal via a fiber-optic communication line 21.

В состав приемного канала каждого цифрового ППМ входят последовательно соединенные малошумящий усилитель 33, вход которого соединен с выходом циркулятора 32, аналого-цифровой преобразователь 34, второй I-канальный блок цифровых полосовых фильтров 35, второй I-канальный цифровой комплексный умножитель 36, второй I-канальный цифровой комплексный сумматор 37, первый выход которого посредством волоконно-оптической линии связи 24 соединен с m-м входом второго М-канального цифрового комплексного сумматора 15, а второй подключен к сигнальному входу цифрового квадратурного демодулятора 38, выход которого посредством волоконно-оптической линии связи 22 соединен с т-м входом первого М-канального цифрового комплексного сумматора 13, при этом управляющие входы второго I-канального цифрового умножителя 36 подключены к соответствующим выходам блока формирования цифровых весовых коэффициентов 28.The receiving channel of each digital PPM includes a series-connected low-noise amplifier 33, the input of which is connected to the output of the circulator 32, an analog-to-digital converter 34, a second I-channel block of digital band-pass filters 35, a second I-channel digital complex multiplier 36, a second I- channel digital complex adder 37, the first output of which is connected via a fiber-optic communication line 24 to the m-th input of the second M-channel digital complex adder 15, and the second is connected to the signal input of the digital quadrature demodulator 38, the output of which is via a fiber-optic communication line 22 is connected to the m-th input of the first M-channel digital complex adder 13, while the control inputs of the second I-channel digital multiplier 36 are connected to the corresponding outputs of the digital weighting coefficient generation unit 28.

Только входящие в состав каждого ППМ 19 малошумящий усилитель 33 и усилитель мощности 31 являются аналоговыми, все остальные узлы и элементы предлагаемой РЛС - цифровые.Only the low-noise amplifier 33 and the power amplifier 31 included in each PPM 19 are analog, all other nodes and elements of the proposed radar are digital.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

Контроллер 10 управляет диаграммой направленности антенны через датчик угловых положений 12 на всех этапах функционирования РЛС - при поиске целей, обнаружении сигнала, обнаружении и сопровождении траекторий и т.д. По команде контроллера 10 синтезатор 11 формирует цифровой зондирующий сигнал на несущей частоте ƒ₀ с длительностью периода частотной модуляции Т_м и с девиацией частоты Δƒ_c.The controller 10 controls the antenna pattern through the angular position sensor 12 at all stages of the operation of the radar - when searching for targets, detecting a signal, detecting and tracking trajectories, etc. At the command of the controller 10, the synthesizer 11 generates a digital probing signal at a carrier frequency ƒ ₀ with a duration of the frequency modulation period T _m and a frequency deviation Δƒ _c .

Этот сигнал распределяется по входам 21 всех Μ ППМ 19 и поступает на вход первого I-канального блока 26 цифровых полосовых фильтров, который разделяет широкий спектр зондирующего сигнала

на I узкополосных участков спектра:

где спектр

удовлетворяет условию узкополосности [11]This signal is distributed to the inputs 21 of all Μ PPM 19 and is fed to the input of the first I-channel block 26 of digital band-pass filters, which separates a wide range of the probing signal

on I narrow-band sections of the spectrum:

where spectrum

satisfies the narrowband condition [11]

где L_α - линейный размер апертуры антенны в плоскости электронного сканирования диаграммы направленности.where L _α is the linear size of the antenna aperture in the plane of the electronic scanning of the radiation pattern.

Комплексные огибающие сформированных таким образом узкополосных сигналов в каждом m-м ППМ могут быть представлены в видеThe complex envelopes of the narrow-band signals formed in this way in each m-th RTM can be represented as

где ϕ_i - набег фазы на m-м излучателе при излучении сигнала в направлении (θ_ϕ):where ϕ _i is the phase shift on the m-th emitter when the signal is emitted in the direction (θ _ϕ ):

где θ_ϕ - значение возможного направления излучения в пределах сектора электронного сканирования диаграммы направленности.where θ _ϕ is the value of the possible direction of radiation within the sector of electronic scanning of the radiation pattern.

Для компенсации набега фазы ϕ_i (θ_ϕ) комплексная огибающая I-го узкополосного сигнала (2) умножается на комплексно сопряженный с ней весовой коэффициентTo compensate for the phase incursion ϕ _i (θ _ϕ ), the complex envelope of the I-th narrowband signal (2) is multiplied by its complex conjugate weighting factor

где θ_изл - значение заданного направления излучения.where θ _izl is the value of the given radiation direction.

Для этого все I узкополосных участков широкополосного спектра поступают на первый вход первого I-канального цифрового комплексного умножителя 27, на второй вход которого поступают весовые коэффициенты (4), сформированные в блоке 28 в соответствии с соотношением (4) по информации о заданном направлении излучения зондирующего сигнала θ_изл, поступающей с выхода датчика угловых положений 12 на вход 23 каждого m-го ППМ 19.To do this, all I narrow-band sections of the broadband spectrum are fed to the first input of the first I-channel digital complex multiplier 27, the second input of which receives weight coefficients (4) formed in block 28 in accordance with relation (4) according to information about the given direction of radiation of the probing signal θ _izl coming from the output of the angular position sensor 12 to the input 23 of each m-th PPM 19.

В результате суммирования полученных произведений в первом I-канальном цифровом комплексном сумматоре 29 формируется комплексная огибающая зондирующего сигнала на выходе каждого m-го ППМ 19:As a result of summing the obtained products in the first I-channel digital complex adder 29, a complex envelope of the probing signal is formed at the output of each m-th PPM 19:

каждая i-я спектральная составляющая которого получила фазовый сдвиг в соответствии с заданным направлением излучения зондирующего сигнала θ_изл.each i-th spectral component of which received a phase shift in accordance with a given direction of radiation of the probing signal θ _izd .

Цифровой сигнал (5) с первого выхода сумматора 29 поступает на цифро-аналоговый преобразователь 30, где преобразуется в аналоговый ЛЧМ-сигнал несущей частоты. Такое решение возможно потому, что современные ЦАП способны обрабатывать сигналы с частотами до 13 ГГц [10]. Одновременно со второго выхода сумматора 29 сигнал (5) поступает на гетеродинный вход цифрового квадратурного демодулятора 38.The digital signal (5) from the first output of the adder 29 is supplied to the digital-to-analog converter 30, where it is converted into an analog chirp signal of the carrier frequency. This solution is possible because modern DACs are capable of processing signals with frequencies up to 13 GHz [10]. Simultaneously, from the second output of the adder 29, the signal (5) is fed to the heterodyne input of the digital quadrature demodulator 38.

После усиления по мощности в усилителе 31 зондирующий сигнал через циркулятор 32 поступает на вход линейного волноводно-щелевого излучателя 20 и излучается в пространство. В результате суперпозиции полей всех Μ волноводно-щелевых излучателей 20 формируется нормированная диаграмма направленности волноводно-щелевой антенной решетки в режиме излучения в соответствии с соотношениемAfter power amplification in amplifier 31, the probing signal is fed through circulator 32 to the input of linear waveguide-slot emitter 20 and radiated into space. As a result of the superposition of the fields of all Μ slotted waveguide emitters 20, a normalized radiation pattern of the slotted waveguide antenna array is formed in the radiation mode in accordance with the relation

При выполнении условия θ_ϕ=θ_изл нормированная диаграмма направленности в режиме излучения F_npд (θ_изл) принимает максимальное значение F_прд=1. Это означает, что волноводно-щелевая антенная решетка сфазирована в заданном направлении θ_изл, иными словами ось главного лепестка ее диаграммы направленности составляет угол θ_изл с нормалью к апертуре антенны.When the condition θ _ϕ =θ _izl normalized radiation pattern in the radiation mode F _npd (θ _iz ) takes the maximum value of F _prd =1. This means that the waveguide-slotted antenna array is phased in a given direction θ _rad , in other words, the axis of the main lobe of its radiation pattern makes an angle θ _rad with the normal to the antenna aperture.

Одновременно с излучением антенна РЛС принимает отраженные от целей сигналы. Принятый каждым излучателем 20 каждого ППМ 19 отраженный от цели сигнал через циркулятор 32 поступает на вход МШУ 33 и после усиления и аналого-цифрового преобразования блоком 34 поступает на вход второго I-канального блока цифровых полосовых фильтров 35, который делит широкий спектр

на I узкополосных участков спектраSimultaneously with the radiation, the radar antenna receives the signals reflected from the targets. Received by each emitter 20 of each PPM 19, the signal reflected from the target through the circulator 32 is fed to the input of the LNA 33 and, after amplification and analog-to-digital conversion by block 34, is fed to the input of the second I-channel block of digital bandpass filters 35, which divides a wide spectrum

on I narrow-band sections of the spectrum

где спектр

удовлетворяет критерию узкополосности (1) [11].where spectrum

satisfies the narrowband criterion (1) [11].

В качестве делителей широкополосного спектра на узкополосные участки в блоках 26 и 35 применены цифровые полосовые КИХ-фильтры, обеспечивающие высокую точность формирования пеленгационной характеристики АФАР и возможность их реализации в виде специализированных программируемых логических интегральных схем [12-14]. Проведенный в работе [14] анализ показал, что современная элементная база позволяет производить цифровую обработку сигналов в реальном масштабе времени на частотах до 1,5 ГГц, а в ближайшие годы до 20 ГГц.As dividers of the broadband spectrum into narrowband sections in blocks 26 and 35, digital band-pass FIR filters are used, which provide high accuracy in the formation of the direction-finding characteristic of the APAA and the possibility of their implementation in the form of specialized programmable logic integrated circuits [12-14]. The analysis carried out in [14] showed that the modern element base allows digital signal processing in real time at frequencies up to 1.5 GHz, and in the coming years up to 20 GHz.

При падении волны на апертуру АФАР с направления θ_изл относительно нормали к апертуре АФАР каждый i-й узкополосный сигнал на входе каждого m-го ППМ 19 получает фазовый сдвигWhen a wave falls on the APAA aperture from the direction θ _izl relative to the normal to the APAA aperture, each i-th narrow-band signal at the input of each m-th PPM 19 receives a phase shift

где θ_ϕ - возможное направление падения волны на апертуру АФАР в пределах сектора электронного сканирования ДН АФАР.where θ _ϕ is the possible direction of the wave incidence on the APAA aperture within the electronic scanning sector of the APAA DN.

Поэтому комплексную огибающую каждого i-го узкополосного сигнала можно представить в видеTherefore, the complex envelope of each i-th narrowband signal can be represented as

Для компенсации фазового сдвига ϕ_im необходимо комплексную огибающую (6) умножить на комплексно сопряженный с ней коэффициентTo compensate for the phase shift ϕ _im , it is necessary to multiply the complex envelope (6) by its complex conjugate coefficient

где ω_i=2πƒ_i - центральная частота i-ro узкополосного спектра. Для этого все i-e узкополосные сигналы поступают на первые входы первого И-канального цифрового комплексного умножителя 27, на вторые входы которого поступают цифровые коэффициенты (8), сформированные блоком 28 по информации, поступающей с выхода 23 датчика угловых положений 12 на соответствующие входы каждого m-го ППМ 19. В результате перемножения формируются сигналы, комплексные огибающие которых можно записать в видеwhere ω _i =2πƒ _i is the center frequency i-ro of the narrowband spectrum. To do this, all ie narrowband signals are fed to the first inputs of the first AND-channel digital complex multiplier 27, the second inputs of which receive digital coefficients (8) generated by block 28 according to information coming from the output 23 of the angular position sensor 12 to the corresponding inputs of each m- th PPM 19. As a result of multiplication, signals are formed, the complex envelopes of which can be written in the form

Все эти I сигналов поступают на входы второго I-канального цифрового комплексного сумматора 37, в результате на его выходе формируется сигнал, комплексная огибающая которого имеет видAll these I signals are fed to the inputs of the second I-channel digital complex adder 37, as a result, a signal is formed at its output, the complex envelope of which has the form

Это напряжение представляет собой выходной сигнал каждого m-го ППМ 19, которое с выхода 24 каждого ППМ поступает на m-й вход второго М-канального цифрового комплексного сумматора 15. Полученный в результате суммирования сигнал поступает на вход устройства 16 первичной обработки радиолокационной информации, где используется для обнаружения сигнала от цели и измерения ее угловых координат.This voltage is the output signal of each m-th PPM 19, which is supplied from the output 24 of each PPM to the m-th input of the second M-channel digital complex adder 15. The signal obtained as a result of summation is fed to the input of the device 16 for the primary processing of radar information, where used to detect a signal from a target and measure its angular coordinates.

Результаты измерений угловых координат поступают на вход устройства 17 вторичной обработки информации, где используются для обнаружения и сопровождения траекторий обнаруженных целей. Результаты вторично обработки информации поступают на первый вход устройства 18 отображения результатов радиолокационного обзор а пространства.The results of measurements of the angular coordinates are fed to the input of the device 17 of the secondary information processing, where they are used to detect and track the trajectories of the detected targets. The results of the secondary processing of information are fed to the first input of the device 18 for displaying the results of the radar survey in space.

Одновременно сигнал со второго выхода сумматора 37 поступает на сигнальный вход цифрового квадратурного демодулятора 38, который выполняет функции цифрового смесителя, т.е. формирует сигнал разностной частоты (сигнал «биений»), который с выхода 22 поступает на m-й вход первого М-канального цифрового комплексного сумматора 13, где аналогичные сигналы с выходов всех Μ ППМ 19 когерентно суммируются и на основе их спектрального анализа формируется информация о дальности цели и ее ЭПР. Эта информация поступает на второй вход устройства 18 отображения результатов радиолокационного обзора пространства, выход которого является информационным выходом предлагаемой РЛС.At the same time, the signal from the second output of the adder 37 is fed to the signal input of the digital quadrature demodulator 38, which performs the functions of a digital mixer, i. generates a difference frequency signal (“beating” signal), which is fed from output 22 to the m-th input of the first M-channel digital complex adder 13, where similar signals from the outputs of all Μ PPM 19 are coherently summed and, based on their spectral analysis, information about target range and its EPR. This information is fed to the second input of the device 18 for displaying the results of the radar survey of space, the output of which is the information output of the proposed radar.

Отличия предлагаемого технического решения от его прототипа обеспечивают достижение поставленной перед изобретением цели, заключающейся в разработке радиолокационной станции с широкополосным непрерывным зондирующим ЛЧМ-сигналом и с широкоугольным электронным санированием диаграммы направленности антенны, обеспечивающей формирование двумерной диаграммы направленности, повышение точности диаграммообразования на основе перехода к цифровому методу формирования диаграммы направленности и согласованному управлению диаграммой направленности в режимах излучения и приема радиосигналов, электронное управление диаграммой направленности в широком угловом секторе с коррекцией возникающих при этом искажений фазовой структуры спектра сигнала и амплитудно-фазового распределения поля на апертуре антенны.The differences between the proposed technical solution and its prototype ensure the achievement of the goal set for the invention, which is to develop a radar station with a broadband continuous probing chirp signal and with wide-angle electronic sanitization of the antenna radiation pattern, providing the formation of a two-dimensional radiation pattern, increasing the accuracy of beam formation based on the transition to a digital method beam formation and coordinated beam control in the modes of radiation and reception of radio signals, electronic beam control in a wide angular sector with correction of the resulting distortions in the phase structure of the signal spectrum and the amplitude-phase distribution of the field on the antenna aperture.

Проведенный авторами анализ источников научно-технической и патентной информации позволяет сделать вывод о новизне предлагаемых технических решений.The analysis of sources of scientific, technical and patent information carried out by the authors allows us to conclude that the proposed technical solutions are novel.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ №2660450. МПК G01S 13/90. Устройство радиолокационной станции с непрерывным линейно-частотно-модулированным сигналом и синтезом апертуры.1. RF patent No. 2660450. IPC G01S 13/90. The device of a radar station with a continuous linear-frequency-modulated signal and aperture synthesis.

2. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. - М.; Сов. Радио. - 1970. - 360 с.2. Theoretical foundations of radar. Ed. Shirman Ya.D. - M.; Owls. Radio. - 1970. - 360 p.

3. Справочник по радиолокации. Под. Ред. М. Сколника.- Пер. с англ. (в 4-х томах), т. 3, с. 257 // Сов. Радио. - 1970. - 528 с.3. Handbook of radar. Under. Ed. M. Skolnik.- Per. from English. (in 4 volumes), v. 3, p. 257 // Sov. Radio. - 1970. - 528 p.

4. Доценко В.В., Осипов М.В., Хлусев В.А. Повышение энергетического потенциала РЛС с непрерывным ЛЧМ сигналом // Доклады ТУСУР. - 2011. - №1 (23). - с. 29-33.4. Dotsenko V.V., Osipov M.V., Khlusev V.A. Increasing the energy potential of a radar with a continuous chirp signal // Doklady TUSUR. - 2011. - No. 1 (23). - With. 29-33.

5. Голик А.М. и др. Измерительные системы на основе частотных радиодальномеров ближнего действия // Вестник метролога.- 2021. - №1. - с. 11-17.5. Golik A.M. and others. Measuring systems based on short-range frequency radio rangefinders // Vestnik metrologa. - 2021. - No. 1. - With. 11-17.

6. Патент РФ на полезную модель №94723. МПК G01S 13/00. Радиолокационная обзорная станция.6. RF patent for utility model No. 94723. IPC G01S 13/00. Radar survey station.

7. Патент РФ №2460087. МПК G01S 13/00. Радиолокационная станция с широкополосным непрерывным линейно-частотно-модулированным излучением.7. RF patent No. 2460087. IPC G01S 13/00. Radar station with broadband continuous linear-frequency-modulated radiation.

8. Карпов Ю. Смесители, преобразователи, умножители и делители частоты СВЧ-диапазона отечественного производства // Компоненты и технологии. - 2008. - №9. - с. 22-27.8. Karpov Yu. Mixers, converters, multipliers and frequency dividers of the microwave range of domestic production // Components and technologies. - 2008. - No. 9. - With. 22-27.

9. Белов Л.А. Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компоненты // Электроника: НТБ. - 2004. - №2.- с. 44-49.9. Belov L.A. Frequency converters. Modern RF components // Electronics: NTB. - 2004. - No. 2. - p. 44-49.

10. Добычина Е.М., Малахов Р.Ю. Цифровой приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки // Научный вестник МГТУ ГА. - 2014. - №209. - с. 117-123.10. Dobychina E.M., Malakhov R.Yu. Digital transceiver module of an active phased antenna array // Scientific Bulletin of MSTU GA. - 2014. - No. 209. - With. 117-123.

11. Кольцов Ю.В. Особенности применения различных определений широкополосных сигналов в антенной технике, связи и локации // Антенны.-2008. - вып.6(133). - с. 31-42.11. Koltsov Yu.V. Features of the application of various definitions of broadband signals in antenna technology, communications and location // Antenna.-2008. - issue 6(133). - With. 31-42.

12. Frenzel L. High-Speed Data Converters Make Direct-Sampling Receivers Practical. / Electronic Design. Feb 12, 2019. - URL: https://www.electronicdesign. com/analog/high-speed-data-converters-make-direct-sampling-receivers-practical.12. Frenzel L. High-Speed Data Converters Make Direct-Sampling Receivers Practical. / Electronic Design. Feb 12, 2019. - URL: https://www.electronicdesign. com/analog/high-speed-data-converters-make-direct-sampling-receivers-practical.

13. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor. Check for Evaluation Modules (EVM): TMS320C6678. Texas Instruments. TMS320C6672. SPRS708E-November 2010-Revised March 2014.13. Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor. Check for Evaluation Modules (EVM): TMS320C6678. Texas Instruments. TMS320C6672. SPRS708E-November 2010-Revised March 2014.

14. Speed per Milliwatt Rations for Fixed-Points Parcaged Processors / Berkeley Design Technolog. Inc. Nov. 2013.14. Speed per Milliwatt Rations for Fixed-Points Parcaged Processors / Berkeley Design Technolog. Inc. Nov. 2013.

Claims

Radar station (RLS) with a broadband continuous linear-frequency-modulated (LFM) probing signal and with wide-angle electronic scanning of the antenna pattern, including the central processor of the radar and an active phased antenna array (APAA), and the central processor of the radar includes a controller, the first the output of which is connected to the input of the digital synthesizer of the sounding chirp signal, and the second output is connected to the input of the angular position sensor of the main lobe of the APAA, in addition, the central processor includes the first M-channel digital complex adder, the output of which is connected to the input of the device for processing the total "beat" signal, the output of the latter is connected to the first input of the device for displaying the results of the radar survey of the space, the output of which is the information output of the radar, while the APAA includes Μ receiving-transmitting modules (TPM) with emitters containing in its cons two transmitting and receiving channels, while the transmitting channel includes a power amplifier, and the receiving channel includes a low-noise (LNA) amplifier, characterized in that each PPM additionally includes a circulator common to the transmitting and receiving channels with a linear slotted waveguide emitter, and the waveguide-slot emitters of all Μ PPM form a two-dimensional waveguide-slot antenna array, a digital quadrature demodulator, the output of which is connected to the m-th input of the first M-channel digital complex adder, and also a block for generating digital weight coefficients, the input of which is connected to the output of the angular position sensor of the main lobe of the radiation pattern of the waveguide-slot antenna array, and the first I-channel block of digital band-pass filters, the first I-channel digital complex multiplier, the first I-channel digital complex adder are additionally connected in series to the transmitting channel of each PPM, and so the same digital-to-analog converter, the input of which is connected to the first output of the first I-channel digital complex adder, and the second output of the latter is connected to the heterodyne input of the digital quadrature demodulator, the output of the digital-to-analog converter is connected to the input of the power amplifier, and the output of the latter is connected to the input of the circulator , and the input of the first I-channel block of digital band-pass filters is connected to the output of the digital chirp signal synthesizer, and the control inputs of the first I-channel digital complex multiplier are connected to the corresponding outputs of the digital weight coefficient generation block, while the receiving channel of each PPM is additionally introduced in series connected analog-to-digital converter, the second I-channel block of digital band-pass filters, the second I-channel digital complex multiplier, the second I-channel digital complex adder, the first output of which is connected to the digital quadrature signal input modulator, and the second output is connected to the m-th input of the second M-channel digital complex adder, and the input of the analog-to-digital converter is connected to the output of a low-noise amplifier, and the control inputs of the second I-channel digital complex multiplier are connected to the corresponding outputs of the block for generating digital weight coefficients .