PL B1. WOJSKOWY INSTYTUT TECHNICZNY UZBROJENIA, Zielonka, PL , MPSO XV Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01S 13/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Radar wykrywająco-ostrzegawczy (23) Pierwszeństwo z wystawy: , MPSO XV Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/14 (73) Uprawniony z patentu: WOJSKOWY INSTYTUT TECHNICZNY UZBROJENIA, Zielonka, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MARIUSZ BODJAŃSKI, Zielonka, PL BOGUSŁAW GODLEWSKI, Kobyłka, PL JÓZEF JARZEMSKI, Warszawa, PL MAREK KAZIMIERCZAK, Zielonka, PL MAREK KRAWCZYK, Warszawa, PL ROBERT KUCHTA, Dębe Wielkie, PL ROBERT STĄPOREK, Warszawa, PL LECH SZUGAJEW, Zielonka, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest radar wykrywająco-ostrzegawczy przeznaczony do wykrywania ruchomych obiektów, określania ich położenia i śledzenia tras. Znane są radary rozpoznawcze i obserwacji pola walki, zbudowane z modułu nadawczo-odbiorczego sterowanego modułem zobrazowania informacji radarowej, który posiada specjalizowany komputer przeznaczony do obróbki informacji radarowej. Oba moduły połączone są kablową linią transmisyjną. Po wypromieniowaniu w przestrzeń przez antenę nadawczą modułu nadawczo-odbiorczego ukierunkowanej i ukształtowanej wiązki sygnału promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości zmieniającej się liniowo w funkcji czasu i napotkaniu wykrywanego obiektu, część energii sygnału odbija się od obiektu i powraca do anteny odbiorczej radaru. Częstotliwość odbieranego sygnału jest porównywana z bieżącą częstotliwością sygnału nadawanego. Różnica częstotliwości tych sygnałów jest proporcjonalna do nachylenia modulacji i opóźnienia sygnałów odebranych względem wysłanych. Ponieważ opóźnienie to zależy od drogi przebytej przez falę elektromagnetyczną od radaru do obiektu i z powrotem, to na podstawie różnicy częstotliwości sygnałów nadawanych i odbieranych, można określić odległość między radarem a wykrytym obiektem. W przypadku zmian odległości obiektu od radaru, różnica częstotliwości sygnału odbieranego i nadawanego równa jest sumie częstotliwości wynikającej z prędkości obiektu względem radaru (efekt dopplerowski) oraz ich wzajemnej odległości. Amplituda przetworzonego sygnału jest proporcjonalna do amplitudy sygnału odbitego od obiektu. Obróbka sygnału odbitego jest kolejno realizowana przez mieszanie go z sygnałem nadawanym i dolnopasmową filtrację, przekształcenie odfiltrowanego sygnału w postać cyfrową, a następnie - poddanie go analizie widmowej z wykorzystaniem szybkiej transformaty Fouriera (FFT). W efekcie uzyskuje się przekształcenie sygnału z domeny czasu w domenę częstotliwości. Amplituda i położenie składowych widma częstotliwości tego sygnału są proporcjonalne do wielkości amplitudy ech radiolokacyjnych i odległości od radaru obiektów tworzących te echa. Następnie sygnał poddawany jest analizie komputerowej, w wyniku której następuje wyodrębnienie z widma sygnału, składowych spełniających przyjęte kryteria wyboru. Informacja o wyodrębnionych składowych przekazywana jest do układu zobrazowania, tworząc obraz sytuacji radarowej na tle siatki współrzędnych lub mapy topograficznej terenu. Istota radaru wykrywająco-ostrzegawczego według wynalazku polega na tym, że moduł nadawczo-odbiorczy i moduł zobrazowania informacji radarowej posiadają odpowiednio modem radiowy oraz modem radiowy, za pomocą których realizowana jest komunikacja między modułami radaru, a ponadto w torze odbiorczym modułu nadawczo-odbiorczego wyjście anteny odbiorczej połączone jest z wejściem wzmacniacza niskoszumnego poprzez wąskopasmowy filtr falowodowy, przy czym wyjście anteny odbiorczej jest połączone z wejściem filtru falowodowego poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część wąskopasmowego filtru falowodowego, zaś w torze nadawczym modułu nadawczo-odbiorczego wejście anteny nadawczej połączone jest ze wzmacniaczem mocy poprzez filtr falowodowy, przy czym wejście anteny nadawczej połączone jest z wyjściem filtru falowodowego poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część filtru falowodowego, a ponadto wzmacniacz mocy, przedwzmacniacz mocy i układ sterowania mocą tworzą obwód sprzężenia zwrotnego stabilizacji mocy wyjściowej wzmacniacza mocy. Zastosowanie modemów w module nadawczo-odbiorczym i sterującym nim module zobrazowania informacji radarowej umożliwia komunikację między nimi drogą radiową. Dzięki temu czas przygotowania radaru do pracy ulega skróceniu w porównaniu z radarem wykorzystującym połączenie kablowe między obu modułami, gdzie zachodzi potrzeba rozwijania i podłączania przewodów kablowych między modułami. Ponadto, brak połączenia kablowego ułatwia eksploatację radaru w różnych, zwłaszcza trudnych warunkach terenowych. Zastosowanie w torze odbiorczym modułu nadawczo-odbiorczego wąskopasmowego filtru falowodowego pomiędzy anteną odbiorczą a wejściem wzmacniacza niskoszumnego ogranicza możliwość zakłócania pracy radaru sygnałami pochodzącymi spoza pasma częstotliwości jego pracy, przy czym połączenie wejścia tego filtru z wyjściem anteny odbiorczej poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część filtru eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych połączeń wprowadzających straty mocy odbieranego sygnału. Zastosowanie w torze nadawczym modułu nadawczoodbiorczego filtru falowodowego pomiędzy wyjściem wzmacniacza mocy a wejściem anteny nadawczej ogranicza poziom mocy pasożytniczych produktów sygnału dostarczanego do anteny nadawczej i promieniowanego przez nią w przestrzeń, przy czym połączenie wyjścia tego filtru z wejściem anteny

3 PL B1 3 nadawczej poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część filtru eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych połączeń wprowadzających straty mocy nadawanego sygnału. Zastosowanie pętli sprzężenia zwrotnego, obejmującego wzmacniacz mocy, przedwzmacniacz mocy i układ sterowania mocą umożliwia stabilizację mocy wyjściowej wzmacniacza mocy. Ze względu na wykorzystanie efektu proporcjonalności poboru prądu zasilania wzmacniacza mocy do poziomu mocy wyjściowej nadawanego sygnału, pętla sprzężenia zwrotnego zabezpiecza dodatkowo wzmacniacz przed nadmiernym natężeniem prądu, mogącym spowodować jego uszkodzenie. Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat blokowy radaru wykrywająco-ostrzegawczego. Radar wykrywająco-ostrzegawczy zbudowany jest z modułu nadawczo-odbiorczego M1 i modułu zobrazowania informacji radarowej M2 sterującego pracą modułu nadawczo-odbiorczego M1 za pomocą standardowego komputera 18 posiadającego specjalizowane oprogramowanie, drogą radiową poprzez modem radiowy 17 modułu zobrazowania informacji radarowej M2 oraz modem radiowy 14 modułu nadawczo-odbiorczego M1. Moduł nadawczo-odbiorczy M1 zawiera tor nadawczy i tor odbiorczy, układ zasilania i napędu 15 oraz procesor sygnałowy 1 sterujący pracą modułu nadawczoodbiorczego M1 i realizujący obróbkę cyfrową informacji radarowej za pomocą programu zapisanego w jego pamięci RAM. W skład toru nadawczego wchodzą kolejno połączone ze sobą szeregowo: antena nadawcza 7, filtr falowodowy 6 i wzmacniacz mocy 4 tworzący z przedwzmacniaczem mocy 3 i układem stabilizacji mocy 5 obwód sprzężenia zwrotnego stabilizacji mocy wyjściowej wzmacniacza mocy 4. Układ stabilizacji mocy 5 jest bezpośrednio połączony z procesorem sygnałowym 1, zaś przedwzmacniacz mocy 3 jest połączony bezpośrednio z blokiem generacji sygnału 2, który z kolei jest bezpośrednio połączony z procesorem sygnałowym 1. Wejście anteny nadawczej 7 połączone jest z wyjściem filtru falowodowego 6 poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część filtru falowodowego 6. W skład toru odbiorczego wchodzą kolejno połączone ze sobą szeregowo: antena odbiorcza 8, wąskopasmowy filtr falowodowy 9, wzmacniacz niskoszumny 10, mieszacz 11 i przedwzmacniacz pośredniej częstotliwości 12 bezpośrednio połączony z procesorem sygnałowym 1, posiadający amplitudowo- częstotliwościową charakterystykę przenoszenia k(f) wyrażoną wzorem: k(f) = af 2, gdzie (a) jest wielkością stałą, zaś (f) oznacza częstotliwość. Wyjście anteny odbiorczej 8 połączone jest z wejściem wzmacniacza niskoszumnego 10 poprzez wąskopasmowy filtr falowodowy 9, przy czym wyjście anteny odbiorczej 8 jest połączone z wejściem filtru falowodowego 9 poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część wąskopasmowego filtru falowodowego 9. Mieszacz 11 jest bezpośrednio połączony z blokiem generacji sygnału 2. Układ zasilania i napędu 15 wytwarza napięcia niezbędne do zasilania elementów modułu nadawczo-odbiorczego M1, przetwarzając energię zawartą w akumulatorach 16, a także realizuje jego ruch obrotowy w zależności od sygnałów sterujących z procesora sygnałowego 1. Ponadto, do procesora sygnałowego 1 dołączony jest odbiornik GPS 13, z którego informacja umożliwia dowiązanie położenia radaru do współrzędnych geograficznych. Po włączeniu zasilania z układu zasilania i napędu 15, program sterujący pracą modułu nadawczo-odbiorczego M1 i realizujący obróbkę cyfrową informacji radarowej, wczytywany jest z pamięci RAM procesora sygnałowego 1 do jego pamięci operacyjnej. Jednocześnie włączane jest zasilanie modemu radiowego 14 i odbiornika GPS 13. Od tej chwili moduł nadawczo-odbiorczy M1 jest przygotowany do pracy, oczekując na nawiązanie połączenia radiowego z komputerem 18 modułu zobrazowania informacji radarowej M2 poprzez modemy radiowe 14 i 17. Po nawiązaniu połączenia radiowego i odbiorze polecenia uruchomienia wysłanego z modułu zobrazowania informacji radarowej M2, procesor sygnałowy 1 wysyła do układu zasilania i napędu 15 sygnał załączający zasilanie pozostałych elementów modułu nadawczo-odbiorczego M1. Z procesora sygnałowego 1 do bloku generacji sygnału 2 jest podawany sygnał sterujący przestrajaniem częstotliwości sygnału wytwarzanego przez blok generacji sygnału 2. Sygnał z bloku generacji sygnału 2 podawany jest do przedwzmacniacza mocy 3, a następnie z przedwzmacniacza mocy 3 do wzmacniacza mocy 4, w których jest wzmacniany do wymaganego (ustalonego) poziomu mocy. Poziom mocy sygnału wyjściowego ze wzmacniacza mocy 4 stabilizowany jest w obwodzie sprzężenia zwrotnego, utworzonym przez wzmacniacz mocy 4, przedwzmacniacz mocy 3 i układ stabilizacji mocy 5. Sygnał ze wzmacniacza mocy 4 przesyłany przez filtr falowodowy 6 do anteny nadawczej 7 promieniowany jest w przestrzeń. Po wypromieniowaniu w przestrzeń przez antenę nadawczą 7 modułu nadawczo-odbiorczego M1 ukierunkowanej i ukształtowanej wiązki sygnału promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości zmieniającej się liniowo w funkcji czasu i napotkaniu obiektu, część energii sygnału odbija się

4 4 PL B1 od obiektu i powraca do anteny odbiorczej 8, która przekazuje odebrany sygnał do wejścia wąskopasmowego filtru falowodowego 9. Z wyjścia wąskopasmowego filtru falowodowego 9 odebrany sygnał przesyłany jest do wzmacniacza niskoszumnego 10 i dalej do mieszacza 11. Jednocześnie do drugiego wejścia mieszacza 11 dostarczany jest sygnał odniesienia o częstotliwości aktualnie wysyłanego sygnału. Częstotliwość odbieranego sygnału jest porównywana z bieżącą częstotliwością sygnału nadawanego. Różnica częstotliwości tych sygnałów jest proporcjonalna do nachylenia modulacji i opóźnienia sygnałów odebranych względem wysłanych. Ponieważ opóźnienie to zależy od drogi przebytej przez falę elektromagnetyczną od radaru do obiektu i z powrotem, to na podstawie różnicy częstotliwości sygnałów nadawanych i odbieranych, można określić odległość między radarem a obiektem. W przypadku zmian odległości obiektu od radaru, różnica częstotliwości sygnału odbieranego i nadawanego równa jest sumie częstotliwości wynikającej z prędkości obiektu względem radaru (efekt dopplerowski) oraz ich wzajemnej odległości. Z wyjścia mieszacza 11 sygnał podawany jest do wejścia wzmacniacza pośredniej częstotliwości 12 o ww. amplitudowo-częstotliwościowej charakterystyce, zapewniającej stałość amplitudy sygnału pochodzącego od obiektu o stałej wielkości skutecznej powierzchni odbicia niezależnie od jego odległości od radaru. Jednocześnie odfiltrowane zostają wyższe produkty przemiany z mieszacza 11. Sygnał ze wzmacniacza pośredniej częstotliwości 12 podawany jest do procesora sygnałowego 1, gdzie następuje przekształcenie odfiltrowanego i wzmocnionego sygnału w postać cyfrową, a następnie - poddanie go analizie widmowej z wykorzystaniem szybkiej transformaty Fouriera (FFT). W efekcie uzyskuje się przekształcenie sygnału z domeny czasu w domenę częstotliwości. Amplituda i położenie składowych widma częstotliwości tego sygnału są proporcjonalne do wielkości amplitudy ech radarowych i odległości od radaru obiektów tworzących te echa. Następnie sygnał poddawany jest analizie komputerowej, w wyniku której następuje wyodrębnienie z widma sygnału, składowych spełniających przyjęte kryteria wyboru. Informacja o wyodrębnionych w procesorze sygnałowym 1 składowych przekazywana jest kolejno poprzez modem radiowy 14 i 17 do komputera 18 modułu zobrazowania informacji radarowej M2, gdzie po dalszej obróbce sygnałowej z użyciem specjalnego oprogramowania, na ekranie monitora komputera 18 powstaje obraz sytuacji radarowej na tle siatki współrzędnych lub mapy topograficznej terenu. Zastrzeżenie patentowe Radar wykrywająco-ostrzegawczy zbudowany z modułu nadawczo-odbiorczego sterowanego przez moduł zobrazowania informacji radarowej, znamienny tym, że moduł nadawczo-odbiorczy (M1) i moduł zobrazowania informacji radarowej (M2) posiadają odpowiednio modem radiowy (14) oraz modem radiowy (17), za pomocą których realizowana jest komunikacja między modułami (M1) i (M2), a ponadto w torze odbiorczym modułu nadawczo-odbiorczego (M1) wyjście anteny odbiorczej (8) połączone jest z wejściem wzmacniacza niskoszumnego (10) poprzez wąskopasmowy filtr falowodowy (9), przy czym wyjście anteny odbiorczej (8) jest połączone z wejściem wąskopasmowego filtru falowodowego (9) poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część wąskopasmowego filtru falowodowego (9), zaś w torze nadawczym modułu nadawczo-odbiorczego (M1) wejście anteny nadawczej (7) połączone jest ze wzmacniaczem mocy (4) poprzez filtr falowodowy (6), przy czym wejście anteny nadawczej (7) połączone jest z wyjściem filtru falowodowego (6) poprzez element pobudzający stanowiący jednocześnie część filtru falowodowego (6), a ponadto wzmacniacz mocy (4), przedwzmacniacz mocy (3) i układ sterowania mocą (5) tworzą obwód sprzężenia zwrotnego stabilizacji mocy wyjściowej wzmacniacza mocy (4).

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)