Патент на изобретение №2332682

(54) РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ПРИЕМНИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к приемному тракту радиолокационных или аналогичных систем и предназначено для обеспечения высокопроизводительной первичной цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени во всех режимах работы бортовой радиолокационной станции. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение эффективности цифровой обработки радиолокационных сигналов на фоне помех с различной шириной спектра, который достигается за счет того, что в радиолокационный приемник, содержащий n приемных каналов, включающий каждый фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, устройство цифрового гетеродинирования, постоянное запоминающее устройство и цифровой сумматор, в каждый приемный канал введены два полосовых фильтра, аттенюатор, пять усилителей, делитель напряжения, режекторный фильтр, формирователь частоты дискретизации, цифровой формирователь квадратур, два адаптера и контроллер. 1 ил.

Изобретение относится к приемному тракту радиолокационных или аналогичных систем и предназначено для обеспечения высокопроизводительной первичной цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени во всех режимах работы бортовой радиолокационной станции (БРЛС).

Одним из основных факторов, определяющих структуру радиолокационного приемника, является выбранный метод обработки сигнала на промежуточной частоте: разделение на квадратурные составляющие и перенос спектра сигнала на видеочастоту с обеспечением возможности перестройки частоты гетеродина.

В настоящее время для этой цели широко используются аналоговые фазовые детекторы [Дудник П.И., Чересов Ю.И. Авиационные радиолокационные устройства. – М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1986, с.247, рис.8.15] и разложение принимаемого сигнала на квадратурные составляющие [патент US 5627856]. При этом сигнал гетеродина может быть фиксированным (fг=fп) или перестраиваемым по частоте. В первом случае для управления значением центральной частоты полосы анализа применяется метод цифрового гетеродинирования после оцифровки сигнала [патент РФ 2225623]. Во втором случае для получения сигнала гетеродина применяются специальные, довольно сложные устройства – цифровые управляемые гетеродины [патент US 4292635, патент РФ 2123709]. При этом количество фазовых детекторов или синхронных преобразователей должно быть равно двум в каждом приемном канале.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является радиолокационный приемник с цифровым гетеродинированием [патент РФ 2225623, МПК G01S 7/285, 7/26, 2004], содержащий кварцевый генератор, формирователь опорного сигнала, два цифровых сумматора, магистраль параллельной информации, n каналов приема, состоящих каждый из аналогового сумматора и когерентного приемника с цифровым выходом. В этом радиолокационном приемнике применен аналоговый метод преобразования сигнала. Использование аналогового метода переноса спектра сигнала на видеочастоту имеет следующие недостатки: не ортогональность опорных сигналов для фазовых детекторов; различие коэффициентов передачи квадратурных каналов; не идентичность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик квадратурных каналов; дрейф нуля и нелинейность фазовых детекторов, что приводит к искажению спектра сигнала и, в результате, к снижению динамического диапазона бортовой радиолокационной станции БРЛС.

От всех перечисленных недостатков свободны цифровые методы разложения сигналов на квадратурные составляющие и переноса спектра на видеочастоту.

Технической результат предлагаемого изобретения направлен на повышение эффективности цифровой обработки радиолокационных сигналов на фоне помех с различной шириной спектра.

Технический результат достигается тем, что в радиолокационный приемник, содержащий n (n – целое число) приемных каналов, включающий каждый фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, устройство цифрового гетеродинирования, постоянное запоминающее устройство и цифровой сумматор, при этом в каждый приемный канал введены первый и второй полосовые фильтры, аттенюатор, первый, второй, третий, четвертый, пятый усилители, делитель напряжения, режекторный фильтр, формирователь частоты дискретизации, цифровой формирователь квадратур, первый и второй адаптеры и контроллер. Вход первого полосового фильтра является входом приемного канала, выход первого полосового фильтра соединен с входом аттенюатора, выход которого соединен с входами первого и второго усилителей. Выход первого усилителя соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с входом третьего усилителя. Выход второго усилителя соединен с выходом третьего усилителя и с входами четвертого и пятого усилителей. Выход пятого усилителя соединен с входом делителя напряжения, выход которого соединен с выходом четвертого усилителя и входом режекторного фильтра. Выход режекторного фильтра соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя. Тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом формирователя частоты дискретизации, вход которого является входом опорного сигнала. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом цифрового формирователя квадратур, выход которого соединен с первым входом устройства цифрового гетеродинирования, второй вход которого соединен с постоянным запоминающим устройством. Выход устройства цифрового гетеродинирования через цифровой сумматор соединен с входом контроллера, выход которого является выходом приемного канала. Первые входы адаптеров соединены с интерфейсом центрального процессора. Второй вход первого адаптера является входом тактового импульса, первый выход первого адаптера соединен с управляющим входом аттенюатора, второй выход первого адаптера соединен с управляющими входами первого, второго и третьего усилителей, третий выход первого адаптера соединен с управляющими входами четвертого и пятого усилителей. Второй вход второго адаптера является входом импульса начала отсчета, первый выход второго адаптера соединен с управляющим входом устройства цифрового гетеродинирования, а второй выход второго адаптера соединен с управляющим входом цифрового сумматора.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в каждый приемный канал радиолокационного приемника введены первый и второй полосовые фильтры, аттенюатор, первый, второй, третий, четвертый и пятый усилители, делитель напряжения, режекторный фильтр, формирователь частоты дискретизации, цифровой формирователь квадратур, первый, второй адаптеры и контроллер, а также связи между ними.

На чертеже представлена функциональная схема радиолокационного приемника с одним приемным каналом.

Радиолокационный приемник содержит: первый полосовой фильтр 1, аттенюатор 2, первый усилитель 3, второй усилитель 4, первый адаптер 5, второй полосовой фильтр 6, третий усилитель 7, четвертый усилитель 8, пятый усилитель 9, делитель напряжения 10, режекторный фильтр 11, фильтр нижних частот 12, аналого-цифровой преобразователь 13, формирователь частоты дискретизации 14, цифровой формирователь квадратур 15, постоянное запоминающее устройство 16, устройство цифрового гетеродинирования 17, цифровой сумматор 18, контроллер 19, второй адаптер 20, тактовый импульс ТИ, центральный процессор ЦП, импульс начала отсчета ИНО, опорный сигнал Foc.

Вход первого полосового фильтра 1 является входом приемного канала, выход первого полосового фильтра 1 соединен с входом аттенюатора 2, выход которого соединен с входами первого 3 и второго 4 усилителей. Выход первого усилителя 3 соединен с входом второго полосового фильтра 6, выход которого соединен с входом третьего усилителя 7. Выход второго усилителя 4 соединен с выходом третьего усилителя 7 и с входами четвертого 8 и пятого 9 усилителей. Выход пятого усилителя 9 соединен с входом делителя напряжения 10, выход которого соединен с выходом четвертого усилителя 8 и входом режекторного фильтра 11. Выход режекторного фильтра 11 соединен с входом фильтра нижних частот 12, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 13. Тактовый вход аналого-цифрового преобразователя 13 соединен с выходом формирователя частоты дискретизации 14, вход которого является входом опорного сигнала. Выход аналого-цифрового преобразователя 13 соединен с входом цифрового формирователя квадратур 15, выход которого соединен с первым входом устройства цифрового гетеродинирования 17, второй вход которого соединен с постоянно запоминающим устройством 16. Выход устройства цифрового гетеродинирования 17 через цифровой сумматор 18 соединен с входом контроллера 19, выход которого является выходом приемного канала. Первые входы первого 5 и второго 20 адаптеров соединены с интерфейсом центрального процессора. Второй вход первого адаптера 5 является входом тактового импульса, первый выход первого адаптера 5 соединен с управляющим входом аттенюатора 2, второй выход первого адаптера 5 соединен с управляющими входами первого 3, второго 4 и третьего 7 усилителей, третий выход первого адаптера 5 соединен с управляющими входами четвертого 8 и пятого 9 усилителей. Второй вход второго адаптера 20 является входом импульса начала отсчета. Первый выход второго адаптера 20 соединен с управляющим входом устройства цифрового гетеродинирования 17, а второй выход второго адаптера 20 соединен с управляющим входом цифрового сумматора 18.

Радиолокационный приемник работает следующим образом.

Рассмотрим работу радиолокационного приемника на примере прохождения принимаемого сигнала по одному приемному каналу. Поскольку построение n-ых каналов идентично первому каналу, то прохождение принимаемого сигнала по ним будет аналогично.

Входной сигнал на промежуточной частоте с СВЧ-приемника поступает на первый полосовой фильтр 1, который является широкополосным фильтром, и далее на дискретный управляемый аттенюатор 2. На управляющие входы аттенюатора 2 с первого выхода первого адаптера 5 поступают управляющие сигналы. Управление величиной ослабления сигналов в аттенюаторе производится центральным процессором БРЛС по интерфейсу через первый адаптер 5. Усилители первый 3, второй 4, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 имеют управляющие входы, обеспечивающие открытое либо закрытое состояние усилителя в зависимости от уровня напряжения на управляющем входе усилителя. Пятый усилитель 9 совместно с делителем напряжения 10 выполняют функцию амплитудного ограничителя уровня сигналов.

Приемный канал имеет четыре режима работы: широкая полоса пропускания с выключенным амплитудным ограничителем; широкая полоса пропускания с включенным амплитудным ограничителем; узкая полоса пропускания с выключенным амплитудным ограничителем; узкая полоса пропускания с включенным амплитудным ограничителем.

Во всех режимах работы при постоянном уровне входного сигнала, соответствующем линейному участку амплитудной характеристики приемника, обеспечивается постоянный уровень сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя 13.

В режиме широкая полоса пропускания с выключенным амплитудным ограничителем сигнал с аттенюатора 2 проходит через второй 4 и четвертый 8 открытые усилители на вход режекторного фильтра 11. При этом первый 3, третий 7 и пятый 9 усилители закрыты по управляющим входам сигналами со второго и третьего выходов первого адаптера 5.

В режиме широкая полоса пропускания с включенным амплитудным ограничителем сигнал с аттенюатора 2 проходит через открытые усилители второй 4 и пятый 9, делитель напряжения 10 и поступает на вход режекторного фильтра 11. При этом усилители первый 3, третий 7 и четвертый 8 закрыты по управляющим входам сигналами со второго и третьего выходов первого адаптера 5.

В режиме узкая полоса пропускания с выключенным амплитудным ограничителем сигнал с аттенюатора 2 проходит через открытый первый усилитель 3, второй полосовой фильтр 6, открытые третий 7 и четвертый 8 усилители и поступает на вход режекторного фильтра 11. При этом второй 4 и пятый 9 усилители закрыты по управляющим входам сигналами со второго и третьего выходов первого адаптера 5.

В режиме узкая полоса пропускания с выключенным амплитудным ограничителем сигнал с аттенюатора 2 проходит через открытый первый усилитель 3, второй полосовой фильтр 6, открытые третий 7 и пятый 9 усилители, делитель напряжения 10 и поступает на вход режекторного фильтра 11. При этом и второй 4 и четвертый 8 усилители закрыты по управляющим входам сигналами со второго и третьего выходов первого адаптера 5.

Синхронизация работы приемного канала обеспечивается тактовым импульсом ТИ, поступающим на второй вход первого адаптера 5, и импульсом начала отсчета ИНО, поступающим на второй вход второго адаптера 20 с устройства синхронизации БРЛС.

После режекторного фильтра 11 при любом режиме работы сигнал поступает на фильтр нижних частот 12 и далее – на аналого-цифровой преобразователь 13, на тактовый вход которого поступает сигнал частоты дискретизации с выхода формирователя частоты дискретизации 14.

Аналого-цифровой преобразователь 13 преобразовывает аналоговый сигнал в цифровой. Формирователь частоты дискретизации 14 обеспечивает частотную фильтрацию опорного сигнала Fос и формирование дифференциальных сигналов частоты дискретизации с уровнями и формой сигналов, необходимых для работы аналого-цифрового преобразователя 13.

С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 сигнал в цифровой форме поступает на цифровой формирователь квадратур 15. Цифровой формирователь квадратур 15 обеспечивает представление сигналов в комплексной форме с формированием реальной (Re) и мнимой (Im) квадратурных составляющих. С выхода цифрового формирователя квадратур 15 цифровые сигналы по реальной и мнимой квадратурам поступают на первый вход устройства цифрового гетеродинирования 17, на второй вход которого поступают корректирующие коэффициенты с выхода постоянно запоминающего устройства 16.

Устройство цифрового гетеродинирования 17 выполняет операцию перемножения двух комплексных чисел: выборок квадратурных составляющих, поступающих из цифрового формирователя квадратур, и корректирующих коэффициентов, поступающих из постоянно запоминающего устройства. Код частоты цифрового гетеродина поступает на управляющий вход устройства цифрового гетеродинирования 17 с первого выхода второго адаптера 20.

После гетеродинирования сигнал поступает на цифровой сумматор 18, где происходит суммирование отсчетов сигнала на интервале одного элемента дальности. Количество суммируемых выборок определяется кодом, поступающим на управляющий вход цифрового сумматора 18 со второго выхода второго адаптера 20. После суммирования отсчетов сигнала в цифровом сумматоре 18 обеспечивается деление суммарного сигнала на количество суммируемых выборок, и полученный сигнал поступает на контроллер 19, который обеспечивает передачу выходной цифровой информации в устройство вторичной обработки сигналов радиолокационной станции.

Для обеспечения постоянного уровня сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя 13 в режимах работы с узкой и широкой полосой пропускания коэффициент передачи второго усилителя 4 установлен меньше произведения коэффициентов передачи первого 3 и третьего 7 усилителей на величину коэффициента передачи узкополосного полосового фильтра 6.

Коэффициенты передачи режекторного фильтра 11 и фильтра нижних частот 12 на частоте первой гармоники сигнала близки к единице. Коэффициент передачи делителя напряжения 10 определяется отношением максимально допустимого уровня сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя 13 при работе на линейном участке амплитудной характеристики аналого-цифрового преобразователя 13 к уровню ограничения выходных сигналов пятого усилителя 9. В результате, при прохождении входных сигналов через пятый усилитель 9 и делитель напряжения 10 (в режимах работы радиолокационного приемника с амплитудным ограничителем уровня сигналов) исключается возможность превышения входными сигналами линейного участка амплитудной характеристики аналого-цифрового преобразователя 13 и соответственно появления в спектре выходных сигналов аналого-цифрового преобразователя 13 побочных гармонических спектральных составляющих.

Для обеспечения постоянного уровня сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя 13 при уровнях сигналов, соответствующих линейному участку амплитудной характеристики аналого-цифрового преобразователя 13, в режимах работы без амплитудного ограничителя уровня сигналов и с амплитудным ограничителем уровня сигналов коэффициент передачи пятого усилителя 9 устанавливается больше коэффициента передачи четвертого усилителя 8 на величину, обратную коэффициенту передачи делителя напряжения 10.

Для исключения прохождения на вход аналого-цифрового преобразователя 13 гармоник входного сигнала, возникающих при превышении уровнем входного сигнала порога ограничения сигналов в амплитудном ограничителе уровня сигналов, частота среза частотной характеристики фильтра нижних частот 12 установлена примерно равной 1,5 частоты первой гармоники входного сигнала. Сигналы четных гармоник входного сигнала дополнительно ослабляются в цифровом фильтре квадратур 15. Режекторный фильтр 10 настроен на частоту третьей гармоники входного сигнала и обеспечивает дополнительно к фильтру нижних частот 12 ослабление третьей гармоники входного сигнала. Достаточное ослабление нечетных гармоник (пятой, седьмой, девятой и т.д.) обеспечивается в фильтре нижних частот 12.

Для подтверждения возможности реализации технического решения был изготовлен опытный образец четырехканального радиолокационного приемника с тактико-техническими характеристиками для конкретной бортовой радиолокационной станции.

Управление радиолокационным приемником от центрального процессора осуществлено с использованием интерфейса SMI (Serial Management Interface). Адаптеры интерфейса SMI реализованы на ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) и обеспечивают преобразование последовательного кода управляющей информации, поступающей по интерфейсу SMI в параллельный код управляющих сигналов, а также согласование управляющих сигналов по уровню.

Полосовые фильтры выполнены на LC-элементах. Первый полосовой фильтр 1 обеспечивает широкую полосу пропускания принимаемого сигнала, а второй полосовой фильтр 6 узкую полосу пропускания. Аттенюатор 2 использован с диапазоном изменения ослабления 15,5 дБ при величине дискрета в 0,5 дБ, управляемый по параллельной пятиразрядной шине с адаптера интерфейса SMI. Программное изменение коэффициента передачи радиолокационного приемника позволяет увеличить динамический диапазон по уровню принимаемых сигналов и обеспечить согласование уровня сигналов с амплитудной характеристикой аналого-цифрового преобразователя. Усилители выбраны с дифференциальным входом и выходом. Усилители обладают входным сопротивлением, много большим выходного сопротивления усилителя, линейной амплитудной характеристикой до уровня выходных сигналов, близкого к уровню напряжения питания усилителя, и имеют управляющий вход, обеспечивающий открытое либо закрытое состояние усилителя в зависимости от уровня напряжения на управляющем входе усилителя. В закрытом состоянии выходное сопротивление усилителя значительно увеличивается. Коэффициент передачи усилителя в открытом состоянии изменяется в больших пределах внешним резистором.

Цифровая обработка сигнала, поступающего с аналого-цифрового преобразователя, организована на базе ПЛИС и обеспечивает выполнение следующих операций: цифровое формирование квадратур входного сигнала, фильтрацию гармоник верхних частот, цифровое гетеродинирование, суммирование отсчетов сигнала на интервале одного элемента дальности и деление результата на количество суммирований. Передача данных радиолокационным приемником производится через встроенный в ПЛИС контроллер LVDS (Low-Voltage Differintial Signaling). Одновременно передаются реальные и мнимые квадратуры принимаемого сигнала.

Для уменьшения массогабаритных характеристик радиолокационного приемника два канала аналоговой части выполнены в едином модуле стандарта «Евромеханика-3U», при этом адаптеры интерфейса SMI выполнены на одной ПЛИС. Также, в едином модуле стандарта «Евромеханика-3U» выполнены два канала цифровой части радиолокационного приемника, при этом цифровой формирователь квадратур, устройство цифрового гетеродинирования, постоянное запоминающее устройство, цифровой сумматор, контроллер LVDS и адаптер интерфейса SMI для обоих каналов выполнены на одной ПЛИС. Такое схемно-техническое решение позволило выполнить конструкцию радиолокационного приемника в исполнении «Евромеханика» типоразмера 1ATR Short.

Полученные характеристики опытного образца радиолокационного приемника подтверждают выполнение технического результата предлагаемого изобретения.

Формула изобретения

Радиолокационный приемник, содержащий n (n – целое число) приемных каналов, включающий каждый фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, устройство цифрового гетеродинирования, постоянное запоминающее устройство и цифровой сумматор, отличающийся тем, что в каждый приемный канал введены первый и второй полосовые фильтры, аттенюатор, первый, второй, третий, четвертый и пятый усилители, делитель напряжения, режекторный фильтр, формирователь частоты дискретизации, цифровой формирователь квадратур, первый адаптер, предназначенный для управления величиной ослабления сигналов в аттенюаторе и для обеспечения открытого, либо закрытого состояния первого, второго, третьего, четвертого и пятого усилителей в зависимости от уровня сигнала на их управляющих входах, второй адаптер, обеспечивающий код частоты устройства цифрового гетеродинирования и код, определяющий количество суммируемых выборок для цифрового сумматора, и контроллер, обеспечивающий передачу выходной цифровой информации в устройство вторичной обработки сигналов радиолокационной станции, при этом вход первого полосового фильтра является входом приемного канала, выход первого полосового фильтра соединен с входом аттенюатора, выход которого соединен с входами первого и второго усилителей, выход первого усилителя соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с входом третьего усилителя, выход второго усилителя соединен с выходом третьего усилителя и с входами четвертого и пятого усилителей, выход пятого усилителя соединен с входом делителя напряжения, выход которого соединен с выходом четвертого усилителя и входом режекторного фильтра, выход режекторного фильтра соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом формирователя частоты дискретизации, вход которого является входом опорного сигнала, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом цифрового формирователя квадратур, выход которого соединен с первым входом устройства цифрового гетеродинирования, второй вход которого является входом корректирующих коэффициентов и соединен с постоянным запоминающим устройством, выход устройства цифрового гетеродинирования через цифровой сумматор соединен с входом указанного контроллера, выход которого является выходом приемного канала, первые входы указанных первого и второго адаптеров соединены с интерфейсом центрального процессора, при этом центральный процессор предназначен для управления радиолокационным приемником с обеспечением преобразования последовательного кода управляющей информации в параллельный код управляющих сигналов и согласования управляющих сигналов по уровню, второй вход первого адаптера является входом тактового импульса, первый выход первого адаптера соединен с управляющим входом аттенюатора, второй выход первого адаптера соединен с управляющими входами первого, второго и третьего усилителей, третий выход первого адаптера соединен с управляющими входами четвертого и пятого усилителей, второй вход второго адаптера является входом импульса начала отсчета, первый выход второго адаптера соединен с управляющим входом устройства цифрового гетеродинирования, второй выход второго адаптера соединен с управляющим входом цифрового сумматора.

РИСУНКИ