RU2846508C1 - Autodyne radar - Google Patents
Autodyne radarInfo
- Publication number
- RU2846508C1 RU2846508C1 RU2025106649A RU2025106649A RU2846508C1 RU 2846508 C1 RU2846508 C1 RU 2846508C1 RU 2025106649 A RU2025106649 A RU 2025106649A RU 2025106649 A RU2025106649 A RU 2025106649A RU 2846508 C1 RU2846508 C1 RU 2846508C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- autodyne
- frequency
- generator
- radar
- output
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах ближней радиолокации (СБРЛ), датчиках и измерителях с непрерывным излучением, предназначенных для обнаружения движущихся объектов, определения параметров движения и измерения расстояния до них.The invention relates to radio engineering and can be used in short-range radar systems (SRR), sensors and meters with continuous radiation, designed to detect moving objects, determine movement parameters and measure the distance to them.
Автодинные радиолокаторы, которые в дальнейшем для сокращения будем называть также автодинами, обеспечивают простейшую конструкцию приемопередатчика и его низкую стоимость благодаря совмещению функций передатчика зондирующего и приёмника отраженного излучения в одном каскаде - автогенераторе, который обычно непосредственно подключают к антенне без каких-либо элементов развязки. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, который возникает в генераторах при воздействии на них собственного излучения, отраженного от объекта локации. Наличие автодинного эффекта является общим свойством всех без исключения генераторов различных диапазонов (от радиочастотного до оптического) [1,2]. Данный эффект проявляется в автодинных изменениях амплитуды и частоты колебаний, а также смещения (тока или напряжения) на электродах активного элемента (АЭ), определяющего условия генерирования автоколебаний в резонансной системе автодинного приемопередатчика. Частота этих изменений соответствует частоте Доплера в случае немодулированного непрерывного излучения и разностной частоте (или биений) преобразованного сигнала в случае частотной модуляции (ЧМ) излучения генератора. Регистрация (выделение, детектирование) автодинных изменений в виде полезного сигнала и его обработка обеспечивают получение информации об объекте локации и параметрах его движения [3].Autodyne radars, which we will further call autodynes for brevity, provide the simplest design of the transceiver and its low cost due to the combination of the functions of the probing transmitter and the receiver of reflected radiation in one cascade - the autodyne oscillator, which is usually directly connected to the antenna without any decoupling elements. The operating principle of these devices is based on the autodyne effect, which occurs in generators when exposed to their own radiation reflected from the location object. The presence of the autodyne effect is a common property of all generators of various ranges (from radio frequency to optical) without exception [1, 2]. This effect is manifested in autodyne changes in the amplitude and frequency of oscillations, as well as the bias (current or voltage) on the electrodes of the active element (AE), which determines the conditions for generating self-oscillations in the resonant system of the autodyne transceiver. The frequency of these changes corresponds to the Doppler frequency in the case of unmodulated continuous radiation and the difference frequency (or beats) of the converted signal in the case of frequency modulation (FM) of the generator radiation. Registration (selection, detection) of autodyne changes in the form of a useful signal and its processing provide information about the location object and the parameters of its movement [3].
Известен способ регистрации сигналов «внутреннего» детектирования, при котором автодинные изменения тока или напряжения в цепи питания генератора, регистрируются в качестве полезного низкочастотного сигнала [3-9]. Для этого в цепь питания генератора включают датчик тока, например, резистор или электронную схему на транзисторах и операционных усилителях, преобразующих изменения тока в напряжение [3, 7-9]. С точки зрения простоты конструкции, способ автодетектирования является наиболее предпочтительным и находит самое широкое применение.A method of recording signals of "internal" detection is known, in which autodyne changes in current or voltage in the generator power supply circuit are recorded as a useful low-frequency signal [3-9]. For this purpose, a current sensor is included in the generator power supply circuit, for example, a resistor or an electronic circuit on transistors and operational amplifiers that convert changes in current into voltage [3, 7-9]. From the point of view of simplicity of design, the autodetection method is the most preferable and finds the widest application.
Однако недостатком этого способа регистрации является низкий потенциал автодинного радиолокатора из-за высокого уровня шумов и помех на выходе автодина вследствие преобразования собственных амплитудных и частотных шумов генератора в цепь питания и, кроме того, проникновения в эту цепь «технических» флуктуаций самого источника питания [10].However, the disadvantage of this method of registration is the low potential of the autodyne radar due to the high level of noise and interference at the autodyne output due to the conversion of the generator’s own amplitude and frequency noise into the power supply circuit and, in addition, the penetration of “technical” fluctuations of the power source itself into this circuit [10].
Известен также способ регистрации сигнала «внешнего» детектирования, при котором посредством встроенного в генератор или подключенного к его выходу детекторного диода выделяют огибающую амплитуды генерируемых колебаний [3, 11-14]. Однако при использовании внешнего детектирования потенциал автодинного радиолокатора по-прежнему остается недостаточно высоким вследствие присутствия на выходе детектора собственных амплитудных шумов генератора и модуляционных шумов источника питания. Эти шумы, имеющие фликкерный характер распределения спектра в области низких доплеровских частот, ограничивают чувствительность автодина как приемника и, соответственно, его потенциал как радиолокатора [10].A method of recording the signal of "external" detection is also known, in which the envelope of the amplitude of the generated oscillations is isolated by means of a detector diode built into the generator or connected to its output [3, 11-14]. However, when using external detection, the potential of the autodyne radar still remains insufficiently high due to the presence of the generator's own amplitude noise and the modulation noise of the power source at the detector output. These noises, which have a flicker nature of the spectrum distribution in the region of low Doppler frequencies, limit the sensitivity of the autodyne as a receiver and, accordingly, its potential as a radar [10].
Значительный выигрыш в величине потенциала и, соответственно, дальности действия радиолокатора обеспечивает способ регистрации сигнала по изменению частоты генерации автодина [10]. При этом известны следующие варианты построения автодинных радиолокаторов.A significant gain in the magnitude of the potential and, accordingly, the range of the radar is provided by the method of registering the signal by changing the frequency of the autodyne generation [10]. The following variants of constructing autodyne radars are known.
По первому варианту реализации радиолокационное устройство [15] содержит автодинный генератор, связанный с антенной через направленный ответвитель, к боковому плечу которого подключены последовательно соединенные частотный дискриминатор СВЧ, фильтр нижних частот и блок обработки сигнала. Выделение сигнала доплеровской частоты в известном устройстве происходит за счёт частотного детектирования автодинных изменений частоты автоколебаний частотным дискриминатором на СВЧ. Крутизна характеристики СВЧ дискриминатора низкая, поэтому выходной сигнал слаб и неизбежна проблема его выделения на фоне шумов. Кроме того габариты СВЧ дискриминатора достаточно велики, что также относится к недостаткам известного устройства.According to the first embodiment, the radar device [15] contains an autodyne generator connected to the antenna via a directional coupler, to the side arm of which a series-connected microwave frequency discriminator, a low-pass filter and a signal processing unit are connected. The Doppler frequency signal in the known device is isolated by frequency detection of autodyne changes in the frequency of self-oscillations by the microwave frequency discriminator. The steepness of the microwave discriminator characteristic is low, so the output signal is weak and the problem of its isolation against the background of noise is inevitable. In addition, the dimensions of the microwave discriminator are quite large, which also refers to the disadvantages of the known device.
По второму варианту реализации радиолокационное устройство [16, 17] содержит двухчастотный СВЧ-генератор, выполненный в виде двух взаимосвязанных парциальных генераторов на основе одного общего генераторного диода и двух (первого и второго) резонаторов, приемопередающую антенну, подсоединенную к первому резонатору, и подключенный к цепи питания генераторного диода блока выделения и обработки автодинного сигнала, состоящий из последовательно соединенных развязывающего широкополосного трансформатора, усилителя сигналов промежуточной частоты (ПЧ), частотного дискриминатора (ЧД) и блока обработки сигнала (измерителя частоты). Выделение сигнала доплеровской частоты в известном устройстве происходит за счёт частотного детектирования автодинных изменений частоты автоколебаний первого парциального СВЧ генератора, находящегося под воздействием отражённого излучения. Второй парциальный СВЧ генератор при этом осуществляет перенос спектра первого СВЧ генератора на промежуточную частоту.According to the second embodiment, the radar device [16, 17] comprises a dual-frequency microwave generator made in the form of two interconnected partial generators based on one common generator diode and two (first and second) resonators, a transmitting and receiving antenna connected to the first resonator, and connected to the power supply circuit of the generator diode of the autodyne signal extraction and processing unit, consisting of a series-connected decoupling broadband transformer, an intermediate frequency (IF) signal amplifier, a frequency discriminator (FD), and a signal processing unit (frequency meter). The Doppler frequency signal is extracted in the known device by frequency detection of autodyne changes in the self-oscillation frequency of the first partial microwave generator, which is under the influence of reflected radiation. The second partial microwave generator in this case transfers the spectrum of the first microwave generator to the intermediate frequency.
По третьему варианту реализации способа регистрации сигнала по изменению частоты генерации радиолокационное устройство (см. рис. 2, [18]: Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 3. Функциональные особенности автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2007. № 11. С. 25-49), принятое в качестве прототипа, содержит последовательно соединённые антенну, автодинный генератор, автодинный преобразователь частоты, развязывающий широкополосный трансформатор, усилитель сигналов промежуточной частоты, частотный дискриминатор, фильтр нижних частот и блок обработки сигнала (измерителя доплеровской частоты). Принцип действия радиолокатора аналогичен рассмотренному выше по второму варианту реализации. По сравнению с аналогами он является наиболее совершенным устройством, обладающим наибольшим потенциалом и, соответственно, наибольшей дальностью действия.According to the third embodiment of the method for recording a signal based on a change in the generation frequency, the radar device (see Fig. 2, [18]: Votoropin S.D., Noskov V.Ya., Smolsky S.M. Modern hybrid-integrated autodyne generators of the microwave and millimeter ranges and their application. Part 3. Functional features of autodynes // Successes of modern radio electronics. 2007. No. 11. pp. 25-49), adopted as a prototype, contains a series-connected antenna, an autodyne generator, an autodyne frequency converter, an isolating broadband transformer, an intermediate frequency signal amplifier, a frequency discriminator, a low-pass filter and a signal processing unit (Doppler frequency meter). The operating principle of the radar is similar to that discussed above for the second embodiment. Compared to its analogues, it is the most advanced device with the greatest potential and, accordingly, the greatest range.
Однако у прототипа и известных аналогов имеются общие существенные недостатки, связанные с особенностями формирования автодинных сигналов, суть которых состоит в следующем.However, the prototype and known analogues have common significant shortcomings associated with the peculiarities of the formation of autodyne signals, the essence of which is as follows.
Наличие автодинных изменений частоты колебаний генератора при воздействии на него отраженного излучения вызывает неравномерность изменения набега фазы формируемого сигнала. Данная неравномерность, в свою очередь, является причиной ангармонических искажений автодинных сигналов (см. рис. 2 и 3 статьи [10]). Эти искажения сигналов, проявляющиеся с увеличением уровня отраженного излучения и расстояния до объекта локации, а также с укорочением длины волны излучения, свойственны как обычным автодинам с немодулированным излучением, так и автодинам с различными видами модуляции. Искажения сигналов существенно сужают динамический диапазон устройства [10], а также являются причиной появления периодической нестационарности шумовых характеристик [20]. Данные явления затрудняют, а в некоторых случаях нарушают нормальную работу устройств обработки сигналов и тем самым ухудшают тактико-технические характеристики автодинных СБРЛ, таких как дальность действия, точность измерения скорости объектов и других. Поэтому указанные особенности функционикования автодинных устройств, отличающие их от устройств гомодинного типа, сдерживают их применение при решении многих задач ближней радиолокации, особенно в КВЧ и ГВЧ диапазонах, где эти явления проявляются в наибольшей степени.The presence of autodyne changes in the generator oscillation frequency when reflected radiation affects it causes unevenness in the change in the phase incursion of the generated signal. This unevenness, in turn, is the cause of anharmonic distortions of autodyne signals (see Fig. 2 and 3 of the article [10]). These signal distortions, which appear with an increase in the level of reflected radiation and the distance to the location object, as well as with a shortening of the radiation wavelength, are characteristic of both conventional autodynes with unmodulated radiation and autodynes with various types of modulation. Signal distortions significantly narrow the dynamic range of the device [10], and are also the cause of the appearance of periodic non-stationarity of noise characteristics [20]. These phenomena complicate, and in some cases disrupt the normal operation of signal processing devices and thereby worsen the tactical and technical characteristics of autodyne SBRLs, such as range, accuracy of measuring the speed of objects, etc. Therefore, the specified features of the functioning of autodyne devices, which distinguish them from homodyne-type devices, limit their use in solving many problems of short-range radar, especially in the EHF and MHF ranges, where these phenomena manifest themselves to the greatest extent.
Для устранения причин искажения сигналов были предложены и опробованы различные технические решения. Основные из них - это 1) стабилизация частоты генерации с помощью дополнительного высокодобротного резонатора, 2) использование стабилизированного бигармонического генератора в качестве автодина, а также 3) применение автодинного генератора с взаимной или 4) внешней синхронизацией колебаний [21-24].To eliminate the causes of signal distortion, various technical solutions have been proposed and tested. The main ones are 1) stabilization of the generation frequency using an additional high-Q resonator, 2) use of a stabilized biharmonic generator as an autodyne, and 3) use of an autodyne generator with mutual or 4) external synchronization of oscillations [21-24].
Первые два технических решения полностью не устраняют причину, а лишь уменьшают примерно на порядок величину автодинной девиации частоты. Данное ограничение обусловлено необходимостью разрешения компромисса между потерей выходной мощности на стабилизацию, которая вызывает снижение потенциала автодина, и коэффициентом стабилизации частоты. При этом стабилизация частоты дополнительным резонатором не исключает появление искажений сигналов в режиме сильного отраженного излучения [25]. Кроме того, тенденция к снижению собственной добротности стабилизирующих резонаторов с переходом в диапазоны более высоких частот является обратной решению обсуждаемой здесь проблемы автодинов.The first two technical solutions do not completely eliminate the cause, but only reduce the value of the autodyne frequency deviation by approximately an order of magnitude. This limitation is due to the need to resolve a compromise between the loss of output power for stabilization, which causes a decrease in the autodyne potential, and the frequency stabilization coefficient. At the same time, frequency stabilization by an additional resonator does not exclude the occurrence of signal distortions in the mode of strong reflected radiation [25]. In addition, the tendency to reduce the intrinsic quality factor of stabilizing resonators with the transition to higher frequency ranges is the opposite of the solution to the autodyne problem discussed here.
Последние два технических решения (применение генератора с взаимной или внешней синхронизацией) также не решают проблему радикально, имеют ограничение сверху. Они применимы при выполнении условия, при котором уровень отраженного от объекта локации излучения не превышает уровень вводимого в автодинный генератор синхронизирующего воздействия. В противном случае форма автодинного сигнала значительно усложняется, поскольку автодинный генератор периодически выходит из режима синхронизации [26].The last two technical solutions (use of a generator with mutual or external synchronization) also do not solve the problem radically, and have an upper limit. They are applicable when the condition is met, under which the level of radiation reflected from the location object does not exceed the level of the synchronizing effect input to the autodyne generator. Otherwise, the shape of the autodyne signal becomes significantly more complicated, since the autodyne generator periodically exits the synchronization mode [26].
Ангармонические искажения сигналов и нестационарность уровня шумов, как отмечалось, проявляются также в случае применения автодинных радиолокаторов с ЧМ [27]. Трудность исключения этих искажений или хотя бы их снижения в данном случае состоит в необходимости разрешения противоречия между требованиями обеспечения ЧМ, что сопряжено с уменьшением добротности колебательной системы генератора, и уменьшения автодинной девиации частоты, что связано с потребностью увеличения этой добротности.Anharmonic distortions of signals and non-stationarity of the noise level, as noted, also appear in the case of using autodyne radars with FM [27]. The difficulty of eliminating these distortions or at least reducing them in this case consists in the need to resolve the contradiction between the requirements for ensuring FM, which is associated with a decrease in the quality factor of the oscillatory system of the generator, and a decrease in the autodyne frequency deviation, which is associated with the need to increase this quality factor.
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в исключении или значительном уменьшении автодинной девиации частоты колебаний генератора, которая является причиной ангармонических искажений автодинных сигналов, ограничения динамического диапазона автодинного радиолокатора и явления периодической нестационарности шумовых характеристик. Решение этой проблемы позволит снять существующие ограничения на освоение автодинными устройствами КВЧ и ГВЧ диапазонов и расширить область их применения.Thus, the technical problem, the solution of which is aimed at the claimed invention, consists in the elimination or significant reduction of the autodyne deviation of the generator oscillation frequency, which is the cause of anharmonic distortions of autodyne signals, limitation of the dynamic range of the autodyne radar and the phenomenon of periodic non-stationarity of noise characteristics. The solution to this problem will allow to remove the existing restrictions on the development of the UHF and MHF ranges by autodyne devices and to expand the scope of their application.
Технический результат изобретения достигается тем, что в предлагаемом автодинном радиолокаторе, содержащим соединенные между собой антенну и автодинный генератор, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот и блок обработки сигнала, для решения поставленной проблемы автодинный генератор выполнен с возможностью электрического управления частотой генерации и дополнительно введены последовательно соединенные опорный генератор, делитель частоты опорного генератора и частотно-фазовый дискриминатор, подключенный к фильтру нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу частотой автодинного генератора, а также связанный с автодинным генератором делитель частоты сигнала автодинного генератора, выход которого подключен к частотно-фазовому дискриминатору.The technical result of the invention is achieved in that in the proposed autodyne radar, containing an antenna and an autodyne generator connected to each other, as well as a series-connected low-pass filter and a signal processing unit, in order to solve the stated problem, the autodyne generator is designed with the possibility of electrically controlling the generation frequency and additionally, a series-connected reference generator, a frequency divider of the reference generator and a frequency-phase discriminator connected to the low-pass filter, the output of which is connected to the frequency control input of the autodyne generator, as well as a frequency divider of the autodyne generator signal connected to the autodyne generator, the output of which is connected to the frequency-phase discriminator, are introduced.
Введение в схему автодинного радиолокатора новых элементов и узлов совместно с автодинным генератором обеспечивает реализацию синтезатора частоты на основе системы частотно-фазовой автоподстройки частоты, стабилизирующей частоту колебаний автодинного генератора. При этом результат воздействия отраженного излучения на автодинный генератор в виде автодинных изменений частоты компенсируется управляющим напряжением системы на выходе фильтра нижних частот. Это напряжение, реагирующее на изменение разности фаз зондирующего и отраженного от цели радиосигналов, является автодинным сигналом. Поскольку частота излучения автодинного генератора постоянна (она стабилизирована действием глубокой отрицательной обратной связи), то набег фазы отраженного излучения является линейным и ангармонические искажения сигнала в предлагаемом автодинном радиолокаторе отсутствуют.The introduction of new elements and units into the autodyne radar circuit together with the autodyne generator ensures the implementation of a frequency synthesizer based on a frequency-phase automatic frequency control system that stabilizes the oscillation frequency of the autodyne generator. In this case, the result of the effect of reflected radiation on the autodyne generator in the form of autodyne frequency changes is compensated by the control voltage of the system at the output of the low-pass filter. This voltage, which responds to a change in the phase difference of the probing and reflected from the target radio signals, is the autodyne signal. Since the radiation frequency of the autodyne generator is constant (it is stabilized by the action of deep negative feedback), the phase incursion of the reflected radiation is linear and there are no anharmonic distortions of the signal in the proposed autodyne radar.
В результате поиска альтернативных решений в области применения СБРЛ среди патентных источников и литературы, а также в смежных областях техники установлено, что среди известных радиолокационных и иных устройств выполненных на основе автодинных генераторов с синтезаторами частоты, отсутствуют технические решения, которые для регистрации сигналов используют напряжение на выходе фильтра нижних частот системы ФАПЧ. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает новизной.As a result of searching for alternative solutions in the field of application of the SBRL among patent sources and literature, as well as in related fields of technology, it was established that among the known radar and other devices made on the basis of autodyne generators with frequency synthesizers, there are no technical solutions that use the voltage at the output of the low-pass filter of the PLL system for recording signals. Consequently, the proposed technical solution is novel.
Анализ результатов патентного поиска показал также, что предлагаемое решение не следует явным образом из уровня техники. Из определенного выше уровня техники не выявлена известность снижения автодинной девиации частоты и исключение ангармонических искажений сигналов от целей при одновременной их регистрации посредством синтезатора частоты, выполненного на основе системы частотно-фазовой автоподстройки частоты. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».The analysis of the patent search results also showed that the proposed solution does not follow explicitly from the state of the art. The state of the art defined above does not reveal the known ability to reduce the autodyne frequency deviation and eliminate anharmonic distortions of signals from targets during their simultaneous registration by means of a frequency synthesizer based on a frequency-phase automatic frequency control system. Consequently, the claimed technical solution complies with the patentability condition "Inventive step".
Изобретение направлено на улучшение характеристик работы автодинных СБРЛ, предназначенных для получения данных об объекте локации и параметрах его движения, что необходимо для различных отраслей деятельности человека. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».The invention is aimed at improving the performance characteristics of autodyne SBRLs intended to obtain data on the location object and its movement parameters, which is necessary for various areas of human activity. Thus, the claimed invention meets the criterion of "Industrial applicability".
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема автодинного радиолокатора.The essence of the invention is explained by a drawing, which shows a structural diagram of an autodyne radar.
Автодинный радиолокатор содержит (см. фиг. 1) соединенные последовательно опорный генератор 1, делитель 2 опорной частоты, частотно-фазовый дискриминатор 3 (ЧФД), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ), автодинный генератор 5 с возможностью изменения частоты генерации, и антенна 6, а также связанный с автодинным генератором 5 делитель 7 частоты сигнала автодинного генератора 5, подключенный своим выходом к ЧФД 3, и блок 8 обработки сигналов и управления (БОСУ), подключенный своим входом к выходу ФНЧ. Первый выход управления БОСУ подключен к контроллеру 9 управления, который связан с делителями 2 и 7 опорной частоты и частоты сигнала автодинного генератора 5 соответственно. Ко второму выходу БОСУ 8 присоединен шлейф выходных данных (ШВД).The autodyne radar comprises (see Fig. 1) a series-connected reference generator 1, a reference frequency divider 2, a frequency-phase discriminator 3 (FPD), a low-pass filter (LPF), an autodyne generator 5 with the ability to change the generation frequency, and an antenna 6, as well as a frequency divider 7 of the signal of the autodyne generator 5 connected to the autodyne generator 5, connected by its output to the FPD 3, and a signal processing and control unit (SPCU) 8 connected by its input to the LPF output. The first control output of the SPCU is connected to the control controller 9, which is connected to dividers 2 and 7 of the reference frequency and the signal frequency of the autodyne generator 5, respectively. An output data cable (ODC) is connected to the second output of the SPCU 8.
Антенна 6 (см. фиг. 1) может иметь различное исполнение, зависящее от требований к диаграмме направленности и выбора рабочего диапазона частот, например, в виде несимметричного четвертьволнового вибратора, щелевого вибратора, рупорной, рупорно-линзовой, параболической, диэлектрической стержневой, спиральной антенны, полосковой или типа «волновой канал» (см. соответственно стр. 115, 149, 218, 239, 260, книги [28]).Antenna 6 (see Fig. 1) can have different designs, depending on the requirements for the directional pattern and the choice of operating frequency range, for example, in the form of an asymmetric quarter-wave vibrator, a slot vibrator, a horn, a horn-lens, a parabolic, a dielectric rod, a helical antenna, a strip antenna or a “wave channel” type (see, respectively, pp. 115, 149, 218, 239, 260, of the book [28]).
Автодинный генератор 5 (см. фиг. 1) может иметь различное исполнение, зависящее от типа активного элемента, диапазона рабочих частот, технических и конструкторско-технологических требований. Например, он может быть выполнен на основе генераторного диода (диода Ганна или лавинно-пролётного диода), помещенного в резонатор АГ. Для обеспечения электрической перестройки частоты генерации в резонатор АГ может быть помещён варикап (см. стр. 80-84, [29]). Кроме того, автодинный генератор 5, выполненный с возможностью электрической перестройки частоты, может быть собран на полевом транзисторе по схеме, представленной на стр. 88, рис. 3.7 книги [30].The autodyne generator 5 (see Fig. 1) can have different designs, depending on the type of active element, the range of operating frequencies, technical and design-technological requirements. For example, it can be made on the basis of a generator diode (a Gunn diode or an avalanche-transit diode), placed in the AG resonator. To ensure electrical tuning of the generation frequency, a varicap can be placed in the AG resonator (see pp. 80-84, [29]). In addition, the autodyne generator 5, made with the possibility of electrical tuning of the frequency, can be assembled on a field-effect transistor according to the circuit shown on p. 88, Fig. 3.7 of the book [30].
БОСУ 8 (см. фиг. 1) не является предметом настоящего изобретения, он может быть выполнен на основе цифрового сигнального процессора (ЦСП), реализующего спектральный или временной метод обработки сигнала. В качестве ЦСП может использоваться, например, контроллер семейства MSP430Х1ХХ [31].BOSU 8 (see Fig. 1) is not the subject of the present invention; it can be implemented on the basis of a digital signal processor (DSP) implementing a spectral or time method of signal processing. For example, a controller of the MSP430X1XX family [31] can be used as a DSP.
Опорный генератор 1 (см. фиг. 1) предназначен для формирования опорного колебания, синхронизующего колебания автодинного генератора 5 на определенной частоте. В качестве опорного генератора 1 могут использоваться готовые изделия в виде микросхем, предлагаемых различными отечественными и зарубежными фирмами [32]. Обычно они выполняются на основе маломощных кварцевых генераторов. Для повышения стабильности частоты в требуемом диапазоне температур используются методы термокомпенсации или термостатирования кварцевого резонатора.The reference generator 1 (see Fig. 1) is intended to form a reference oscillation that synchronizes the oscillations of the autodyne generator 5 at a certain frequency. Finished products in the form of microcircuits offered by various domestic and foreign companies can be used as the reference generator 1 [32]. They are usually made on the basis of low-power quartz generators. To increase the frequency stability in the required temperature range, methods of thermal compensation or thermostatting of the quartz resonator are used.
ЧФД 3 предназначен для формирования дискриминационной характеристики, определяющей знак и величину расстройки частот и фаз колебаний, поступающих на его входы. Под дискриминационной характеристикой понимается зависимость среднего за период выходного тока ЧФД 3: от разности токов, подаваемых колебаний и на его входы. Вид характеристики определяется типом и назначением ЧФД. Наиболее часто встречаются кусочно-линейные симметричные и несимметричные характеристики ЧФД [33].The CFD 3 is designed to form a discrimination characteristic that determines the sign and magnitude of the frequency and phase detuning of the oscillations arriving at its inputs. The discrimination characteristic is understood as the dependence of the average over the periodoutput current of the CHFD 3:from differences in currents, supplied oscillations And to its inputs. The type of characteristic is determined by the type and purpose of the PFD. The most common are piecewise linear symmetric and asymmetric PFD characteristics [33].
ФНЧ 4 предназначен для выделения постоянной составляющей тока на выходе ЧФД 3 и для формирования частотной характеристики системы ФАПЧ. Одна из часто используемых схем ФНЧ, показанная на рис. 2.20, стр. 33, [33], представляет собой подключение параллельно входу двух параллельно соединенных цепочек из первого конденсатора и последовательного соединения резистора и второго конденсатора.LPF 4 is designed to isolate the constant component of the current at the output of PFD 3 and to form the frequency response of the PLL system. One of the frequently used LPF circuits, shown in Fig. 2.20, p. 33, [33], is a connection in parallel to the input of two parallel-connected chains of the first capacitor and a series connection of a resistor and a second capacitor.
Делитель 2 опорной частоты и делитель 7 частоты сигнала автодинного генератора 5 предназначены для получения равенства частот колебаний, подаваемых на входы ЧФД 3 от опорного генератора 1 и от автодинного генератора 5. Коэффициенты деления R делителя 2 опорной частоты и N делителя 7 частоты сигнала автодинного генератора 5 могут устанавливаться внешним управляющим словом, поступающим от контроллера 9 управления делителями [33].The divider 2 of the reference frequency and the divider 7 of the signal frequency of the autodyne generator 5 are intended to obtain equality of the oscillation frequencies supplied to the inputs of the frequency divider 3 from the reference generator 1 and from the autodyne generator 5. The division coefficients R of the divider 2 of the reference frequency and N of the divider 7 of the signal frequency of the autodyne generator 5 can be set by an external control word received from the controller 9 for controlling the dividers [33].
Следует отметить, что основные звенья синтезатора частоты: делитель 2 опорной частоты и делитель 7 частоты сигнала автодинного генератора, а также ЧФД 3 и контроллер 9 управления делителями реализуются по твердотельной, цифровой, интегральной технологии в одной микросхеме. В настоящее время промышленность выпускает большое количество типов интегральных микросхем (ИМС) по КМОП-технологии, содержащих практически все функциональные узлы, необходимые для построения синтезаторов частоты диапазонов СВЧ и КВЧ. Среди производителей ИМС синтезаторов частоты можно отметить Analog Devices, Texas Instruments, Peregrine Semiconductor, ОАО НПЦ «ЭЛВИС» и др. [33,34]. Принципы практической реализации и расчета современных синтезаторов частоты СВЧ диапазона на заданную частоту широко известны и изложены, например, в монографии [35].It should be noted that the main links of the frequency synthesizer: the reference frequency divider 2 and the autodyne generator signal frequency divider 7, as well as the frequency divider 3 and the divider control controller 9 are implemented using solid-state, digital, integrated technology in one microcircuit. Currently, the industry produces a large number of types of integrated microcircuits (IMC) using CMOS technology, containing almost all the functional units necessary for constructing frequency synthesizers for the microwave and mmHg ranges. Among the manufacturers of frequency synthesizer ICs, we can note Analog Devices, Texas Instruments, Peregrine Semiconductor, JSC Scientific and Production Center "ELVEES" and others [33,34]. The principles of practical implementation and calculation of modern microwave frequency synthesizers for a given frequency are widely known and are described, for example, in the monograph [35].
Необходимо также отметить, что в состав предлагаемого автодинного радиолокатора могут входить дополнительные или иные элементы, не изменяющие суть изобретения. Например, в составе ФНЧ 4 или на его выходе может быть использован операционный усилитель.It should also be noted that the proposed autodyne radar may include additional or other elements that do not change the essence of the invention. For example, an operational amplifier may be used in LPF 4 or at its output.
Автодинный радиолокатор работает следующим образом.The autodyne radar works as follows.
После подачи напряжения от источника питания (на фиг. 1 он не показан) в опорном 1 и автодинном 5 генераторах возбуждаются колебания на частотах и соответственно, которые поступают на первые входы делителей 2 и 7 частоты. При этом с первого выхода БОСУ 8 на вход КУД 9 поступает команда на задание коэффициентов деления и делителей 2 и 7 частоты соответственно. В ответ на эту команду на выходах «» и «» КУД 9 формируются управляющие слова, которые поступают на вторые входы делителей 2 и 7 соответственно для установки заданных значений коэффициентов деления.After applying voltage from the power source (not shown in Fig. 1), oscillations are excited in the reference 1 and autodyne 5 generators at frequencies And respectively, which are fed to the first inputs of frequency dividers 2 and 7. At the same time, from the first output of BOSU 8, a command is sent to the input of KUD 9 to set the division coefficients And dividers 2 and 7 frequencies respectively. In response to this command, the outputs " " And " » KUD 9 generates control words that are sent to the second inputs of dividers 2 and 7, respectively, to set the specified values of the division coefficients.
С выхода делителя 2 опорной частоты последовательность импульсов с частотой поступает на первый вход частотно-фазового дискриминатора 3, а на его второй вход подается последовательность импульсов с выхода делителя 7 частоты сигнала автодинного генератора 5. Частота их следования в N раз ниже частоты колебаний автодинного генератора 5: . Наличие делителя 2 опорной частоты позволяет использовать опорные генераторы 1 с разными номиналами частоты. При этом наименьшее значение частоты на первом входе ЧФД 2 определяет шаг сетки частот при изменении коэффициента деления N в тракте частоты сигнала автодинного генератора 5. На выходе ЧФД 3 в установившемся режиме формируется сигнал рассогласования фаз входных колебаний. Этот сигнал подается на вход ФНЧ 4, выделяющего из выходного сигнала ЧФД 3 низкочастотную составляющую и формирующего напряжение , управляющее частотой автодинного генератора 5 таким образом, чтобы скомпенсировать имеющееся рассогласование по частоте. В установившемся режиме системы ФАПЧ обеспечивается выполнение равенства . Изменяя значения коэффициентов N и R, получают на выходе автодинного генератора 5 сетку частот, долговременная стабильность которых практически равна стабильности частоты опорного генератора 1. СВЧ колебания автодинного генератора 5 через антенну 6 в соответствие с ее диаграммой направленности излучаются в контролируемое пространство в виде электромагнитных волн.From the output of the divider 2 reference frequency, a sequence of pulseswith frequencyis fed to the first input of the frequency-phase discriminator 3, and a sequence of pulses is fed to its second inputfrom the output of the divider 7 of the frequency of the signal of the autodyne generator 5. The frequency of their repetition inNtimes lower than the oscillation frequency of the autodyne generator 5:. The presence of the reference frequency divider 2 allows using reference generators 1 with different frequency ratings. In this case, the lowest frequency value at the first input of the frequency divider 2 determines the frequency grid step when changing the division coefficientNin the frequency path of the signal of the autodyne generator 5. At the output of the frequency filter 3, in the steady state, a signal of the phase mismatch of the input oscillations is formed. This signal is fed to the input of the low-pass filter 4, which extracts the low-frequency component from the output signal of the frequency filter 3 and forms the voltage, controlling the frequency of the autodyne generator 5 in such a way as to compensate for the existing frequency mismatch. In the steady-state mode of the PLL system, the equality is ensured. By changing the values of the coefficientsN And R, at the output of the autodyne generator 5 they obtain a frequency grid whose long-term stability is practically equal to the frequency stability of the reference generator 1. The microwave oscillations of the autodyne generator 5 are emitted through the antenna 6 in accordance with its directivity pattern into the controlled space in the form of electromagnetic waves.
Полагаем, что цепь обратной связи системы ФАПЧ разорвана и стабилизация частоты автодинного генератора 5 отсутствует. В таком случае при наличии объекта локации в поле излучения антенны 6 в автодинном генераторе 5 под воздействием отраженного радиосигнала проявляется автодинный эффект [1]. При этом наблюдаются автодинные изменения амплитуды и частоты генерации в окрестности стационарного режима колебаний и автодинного генератора 5. Выражения для текущих значений амплитуды и частоты генерации при условии малости изменений ( и ) и без учета шумов имеют вид [10]:We assume that the PLL feedback circuit is broken and there is no stabilization of the frequency of the autodyne generator 5. In this case, if there is a location object in the radiation field of the antenna 6, the autodyne effect appears in the autodyne generator 5 under the influence of the reflected radio signal [1]. In this case, autodyne changes in the amplitude are observed and frequencies generation in the vicinity of the stationary oscillation regime And autodyne generator 5. Expressions for the current values of the amplitude and frequency of generation under the condition of small changes ( And ) and without taking into account noise have the form [10]:
, (1) , (1)
, (2) , (2)
, (3) , (3)
гдеWhere
- приведенный к фланцу антенны 6 коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до объекта локации и обратно, обычно ; - the reflection coefficient reduced to the antenna flange 6, characterizing the attenuation of radiation in amplitude during its propagation to the location object and back, usually ;
, - амплитуды зондирующего и отраженного излучений на фланце антенны 6 соответственно; , - the amplitudes of the probing and reflected radiation on the antenna flange 6, respectively;
, - коэффициенты автодинного усиления и девиации частоты генерации, зависящие от внутренних параметров автодинного генератора 5; , - coefficients of autodyne gain and frequency deviation of generation, depending on the internal parameters of the autodyne generator 5;
- набег фазы отраженного излучения при его распространении до объекта локации и обратно; - the phase shift of reflected radiation during its propagation to the location object and back;
- время запаздывания отраженного излучения от объекта локации; - delay time of reflected radiation from the location object;
, - углы фазового смещения автодинных изменений амплитуды и частоты колебаний автодинного генератора соответственно, зависящие от внутренних параметров автодинного генератора 5 (неизодромности и неизохронности); , - the angles of phase shift of autodyne changes in the amplitude and frequency of oscillations of the autodyne generator, respectively, depending on the internal parameters of the autodyne generator 5 (non-isodromy and non-isochrony);
- параметр обратной связи автодинной системы «генератор - объект локации», определяющий степень ангармонических искажений сигналов при разомкнутой системе ФАПЧ; - the feedback parameter of the autodyne system “generator - location object”, which determines the degree of anharmonic distortion of signals with an open PLL system;
- амплитуда автодинных изменений частоты при разомкнутой системе ФАПЧ. - the amplitude of autodyne frequency changes with the PLL system open.
Как видно из (1) - (3) изменения частоты генерации (2) являются причиной нелинейности набега фазы (3) отраженного излучения и, соответственно, формирования ангармонических изменений амплитуды (1) и частоты (2) генерации автодинного генератора 5. В случае, когда параметр обратной связи ангармонические искажения автодинных сигналов практически отсутствуют. При величине , соизмеримой с единицей, наблюдаются существенные искажения сигналов, в случае в формировании сигналов наблюдаются скачки и гистерезисные явления, а при величине - потеря их периодичности [2, 3, 10, 19].As can be seen from (1) - (3), changes in the generation frequency (2) are the cause of the nonlinearity of the phase incursion (3) of the reflected radiation and, accordingly, the formation of anharmonic changes in the amplitude (1) and frequency (2) of the generation of the autodyne generator 5. In the case when the feedback parameter anharmonic distortions of autodyne signals are practically absent. At a value of , commensurate with unity, significant signal distortions are observed, in the case in the formation of signals, jumps and hysteresis phenomena are observed, and at a value of - loss of their periodicity [2, 3, 10, 19].
Математическая модель предлагаемого радиолокатора описывается аналогично типовой системе ФАП с делителями частоты и может быть представлена следующим операторным уравнением [33]:The mathematical model of the proposed radar is described similarly to a typical FAP system with frequency dividers and can be represented by the following operator equation [33]:
, (4) , (4)
гдеWhere
- разность фаз колебаний опорного 1 и автодинного 5 (управляемого) генераторов на входах ЧФД 3; - the phase difference of the oscillations of the reference 1 and autodyne 5 (controlled) generators at the inputs of the frequency converter 3;
- регулировочная характеристика автодинного генератора 5, представляющая собой зависимость отклонения угловой частоты выходных колебаний автодинного генератора 5 от номинального значения , вызванного воздействием управляющего напряжения ; - the control characteristic of the autodyne generator 5, which is the dependence of the deviation of the angular frequency of the output oscillations of the autodyne generator 5 on the nominal value , caused by the influence of the control voltage ;
- символическое управляющее сопротивление ФНЧ 4, включенное между выходом ЧФД 3 и входом цепи управления частотой автодинного генератора 5, на котором происходит преобразование выходного тока ЧФД 3 в управляющее напряжение ; - symbolic control resistance of LPF 4, connected between the output of LPF 3 and the input of the frequency control circuit of the autodyne generator 5, on which the output current of LPF 3 is converted into a control voltage ;
, где , - дискриминационная характеристика ЧФД 3, определяемая как среднее за период значение выходного тока, подаваемого на первый вход управления частотой автодинного генератора 5; , Where , - the discrimination characteristic of the frequency converter 3, defined as the average value over the period of the output current supplied to the first frequency control input of the autodyne generator 5;
- максимальный выходной ток схемы подкачки заряда ЧФД 3; - maximum output current of the charge pump circuit CHFD 3;
- начальная расстройка, разность номинальных значений угловых частот входных колебаний ЧФД, существующая в отсутствие возмущающих и управляющего воздействий; - initial detuning, the difference between the nominal values of the angular frequencies of the input oscillations of the frequency converter, existing in the absence of disturbing and control effects;
- оператор дифференцирования по времени. - operator of differentiation with respect to time.
В стационарном режиме работы кольца ФАПЧ в (4) выполняются условия:In the stationary operating mode of the PLL ring in (4), the following conditions are met:
, ,
. (5) . (5)
Из общего уравнения (4) с учетом (5), полагая , получим уравнение стационарного режима системы ФАПЧ в виде:From the general equation (4) taking into account (5), assuming , we obtain the equation of the stationary mode of the PLL system in the form:
, (6) , (6)
где верхний индекс в скобках означает стационарное значение переменной.where the superscript in brackets denotes the stationary value of the variable.
Автодинный эффект, возникающий в автодинном генераторе 5, вызывает изменения стационарного режима системы ФАПЧ, описываемого уравнением (6). При этом разность фаз , входящая в (4), в ответ на изменения частоты колебаний согласно (2) получает к стационарному значению соответствующее приращение: . Учтем, что это приращение достаточно мало, так что . Тогда нелинейную характеристику ЧФД 3 разложим в ряд Тейлора и ограничимся двумя первыми членами:The autodyne effect arising in the autodyne generator 5 causes changes in the stationary mode of the PLL system described by equation (6). In this case, the phase difference , included in (4), in response to frequency changes oscillations according to (2) reach a stationary value corresponding increment: . Let's take into account that this increment is quite small, so that . Then the nonlinear characteristic of the CFD 3 Let's expand it into a Taylor series and limit ourselves to the first two terms:
, (7) , (7)
где точка над литерой означает взятие производной в окрестности режима стационарной работы ФАПЧ.where the dot above the letter means taking the derivative in the vicinity of the stationary operation mode of the PLL.
Считаем, что линейность регулировочной характеристики автодинного генератора 5 на рабочем участке достаточная, чтобы пренебречь ее нелинейностью. Тогда из (4) с учетом экспликаций и выражения (6), а также после подстановки (2) и (7) получим линеаризованное дифференциальное уравнение для малых вариаций разности фаз и частоты автодинного генератора 5:We consider that the linearity of the control characteristic of the autodyne generator 5 on the working section is sufficient to neglect its nonlinearity. Then from (4), taking into account the explications and expression (6), and also after substituting (2) and (7), we obtain a linearized differential equation for small variations in the phase difference and frequencies autodyne generator 5:
, (8) , (8)
гдеWhere
- приращения к разности фаз, вызванные автодинными изменениями частоты автодинного генератора 5; - increments to the phase difference caused by autodyne changes in the frequency of the autodyne generator 5;
- максимальный выходной ток схемы подкачки заряда ЧФД 3; - maximum output current of the charge pump circuit CHFD 3;
- амплитуда автодинных изменений частоты при разомкнутой системе ФАПЧ (автодинная девиация частоты генерации). - the amplitude of autodyne frequency changes with an open PLL system (autodyne frequency deviation of the generation).
Положим априори, что благодаря действию ФАПЧ автодинные изменения частоты автодинного генератора 5 малы настолько, что набег фазы , как следует из (3), становится линейной функцией времени запаздывания отраженного излучения: [36]. При условии равномерного и прямолинейного движения объекта локации во времени t набег фазыLet us assume a priori that, due to the action of the PLL, the autodyne frequency changes of the autodyne generator 5 are so small that the phase shift , as follows from (3), becomes a linear function of the delay time reflected radiation: [36]. Under the condition of uniform and rectilinear motion of the location object in time t, the phase incursion
, (9) , (9)
гдеWhere
- начальный фазовый сдвиг, который определяется положением объекта в момент времени ; - the initial phase shift, which is determined by the position of the object at the moment in time ;
- частота Доплера; - Doppler frequency;
- относительная радиальная скорость между СБРЛ и объектом локации. - relative radial velocity between the SBRL and the location object.
Решение методом Эйлера дифференциального уравнения (8) с учетом (9) для системы ФАПЧ с малой постоянной времени ФНЧ 4 () имеет вид:Solution by the Euler method of differential equation (8) taking into account (9) for a PLL system with a small time constant of the LPF 4 ( ) has the form:
, (10) , (10)
гдеWhere
- амплитуда автодинных изменений частоты при разомкнутой системе ФАПЧ (автодинная девиация частоты генерации); - the amplitude of autodyne frequency changes with an open PLL system (autodyne frequency deviation of the generation);
- полоса синхронизации системы ФАПЧ. - synchronization band of the PLL system.
Автодинный сигнал, полученный на выходе ФНЧ 4, имеет вид:The autodyne signal obtained at the output of LPF 4 has the form:
, (11) , (11)
гдеWhere
- максимальный выходной ток схемы подкачки заряда ЧФД 3; - maximum output current of the charge pump circuit CHFD 3;
- управляющее сопротивление ФНЧ 4, включенное между выходом ЧФД 3 и входом цепи управления частотой автодинного генератора 5, на котором происходит преобразование выходного тока ЧФД 3 в управляющее напряжение . - control resistance of LPF 4, connected between the output of LPF 3 and the input of the frequency control circuit of the autodyne generator 5, on which the output current of LPF 3 is converted into a control voltage .
Сигнал (11) с выхода ФНЧ 4 поступает на первый (управляющий) вывод автодинного генератора 5 для корректировки частоты его колебаний в ответ на воздействие отраженного от цели излучения, а также в БОСУ для решения задачи обнаружения цели и получения необходимой информации о параметрах ее движения. Полученные результаты обработки далее со второго выхода БОСУ по шлейфу выходных данных ШВД передаются конечному потребителю.The signal (11) from the output of the low-pass filter 4 is fed to the first (control) output of the autodyne generator 5 to adjust its oscillation frequency in response to the effect of radiation reflected from the target, and also to the BOSU to solve the problem of detecting the target and obtaining the necessary information about the parameters of its movement. The obtained processing results are then transmitted from the second output of the BOSU via the output data loop of the SHVD to the end user.
Для оценки влияния системы ФАПЧ на качество регистрируемых сигналов из выражения (10) получим формулу для изменений частоты колебаний автодинного генератора 5, синхронизированного системой ФАПЧ:To assess the influence of the PLL system on the quality of the recorded signals, from expression (10) we obtain a formula for changes in the oscillation frequency of the autodyne generator 5, synchronized by the PLL system:
, (12) , (12)
гдеWhere
- амплитуда автодинных изменений частоты при разомкнутой системе ФАПЧ (автодинная девиация частоты генерации); - the amplitude of autodyne frequency changes with an open PLL system (autodyne frequency deviation of the generation);
- частота Доплера; - Doppler frequency;
- полоса синхронизации системы ФАПЧ; - PLL system synchronization band;
- начальный фазовый сдвиг, который определяется положением объекта в момент времени ; - the initial phase shift, which is determined by the position of the object at the moment in time ;
- угол фазового смещения автодинных изменений частоты колебаний автодинного генератора 5 вследствие неизохронности. - the angle of phase shift of autodyne changes in the oscillation frequency of the autodyne generator 5 due to non-isochronism.
Полоса синхронизации системы ФАПЧ, особенно с частотно-фазовым дискриминатором, обычно значительно (на несколько порядков) превышает величину автодинной девиации частоты: [33]. Частота доплеровского сигнала обычно невелика, она находится, в зависимости от диапазона несущей, в пределах до десятков-сотен кГц. Поэтому результирующая девиация частоты автодинного генератора 5 согласно (12) благодаря стабилизирующему действию системы ФАПЧ имеет пренебрежимо малые значения. В связи с этим набег фазы отраженной волны при перемещении цели изменяется линейно (3) и автодинные сигналы, регистрируемые как по изменению амплитуды колебаний (1), так и на выходе ФНЧ 4 после ФЧД 3 системы ФАПЧ являются гармоническими, как у систем гомодинного типа. Поэтому свойственные прототипу и аналогам недостатки (ангармонические искажения автодинных сигналов, ограничение динамического диапазона автодинного радиолокатора и наличие периодической нестационарности шумовых характеристик) в предлагаемом устройстве отсутствуют. Этим достигается решение основной технической проблемы автодинных радиолокаторов.The synchronization band of a PLL system, especially with a frequency-phase discriminator, usually significantly (by several orders of magnitude) exceeds the value of the autodyne frequency deviation: [33]. The Doppler signal frequency is usually low, depending on the carrier range, it is within tens to hundreds of kHz. Therefore, the resulting frequency deviation of the autodyne generator 5 according to (12) due to the stabilizing effect of the PLL system has negligible values. In this regard, the phase shift of the reflected wave changes linearly when the target moves (3) and the autodyne signals recorded both by the change in the oscillation amplitude (1) and at the output of the LPF 4 after the PLL 3 are harmonic, as in homodyne-type systems. Therefore, the disadvantages inherent in the prototype and analogs (anharmonic distortions of autodyne signals, limitation of the dynamic range of the autodyne radar and the presence of periodic non-stationarity of noise characteristics) are absent in the proposed device. This achieves a solution to the main technical problem of autodyne radars.
Как отмечалось выше, возможность управления частотой автодинного генератора путем изменения коэффициентов деления при одновременной регистрации сигналов в предложенной конфигурации позволяет реализовать радиолокационные устройства с ЧМ. Использование предлагаемого автодинного радиолокатора с ЧМ непрерывного излучения радиоволн обеспечивает возможность решения таких задач, как обнаружения объектов локации, измерения расстояния до них, а также определения скорости и направления движения (см., например, [37]).As noted above, the ability to control the frequency of the autodyne generator by changing the division factors while simultaneously recording signals in the proposed configuration allows the implementation of radar devices with FM. The use of the proposed autodyne radar with FM of continuous radio wave radiation provides the ability to solve such problems as detecting location objects, measuring the distance to them, and determining the speed and direction of movement (see, for example, [37]).
Особенно актуально использование предлагаемого изобретения в радиолокационных устройствах диапазонов КВЧ и ГВЧ. Освоение этих диапазонов обеспечивает дополнительные возможности создания автодинных СБРЛ с повышенной точностью измерения скорости и расстояния, высокой надежностью обнаружения отражающих объектов, а также направления их относительного перемещения.The use of the proposed invention in radar devices of the UHF and MHF ranges is especially relevant. Mastering these ranges provides additional opportunities for creating autodyne SBRLs with increased accuracy of measuring speed and distance, high reliability of detecting reflective objects, as well as the direction of their relative movement.
Такие возможности простых и миниатюрных радиолокационных датчиков с автодинным принципом построения приемопередатчика особенно востребованы при создании эффективных систем обнаружения малоразмерных и малоконтрастных объектов и измерения параметров их движения. Например, для систем защиты важнейших объектов от беспилотных летательных аппаратов, а также для автоматизированных систем управления движением беспилотных средств автомобильного и железнодорожного транспорта и других целей.Such capabilities of simple and miniature radar sensors with an autodyne principle of transceiver design are especially in demand when creating effective systems for detecting small-sized and low-contrast objects and measuring their motion parameters. For example, for systems for protecting critical objects from unmanned aerial vehicles, as well as for automated systems for controlling the movement of unmanned vehicles of automobile and rail transport and other purposes.
ЛитератураLiterature
1. Гершензон Е.М., Туманов Б.Н. и др. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах. Радиотехника и электроника. 1982. Т.27. № 1. С. 104-112.1. Gershenzon E.M., Tumanov B.N. et al. General characteristics and features of the autodyne effect in autogenerators. Radio engineering and electronics. 1982. Vol. 27. No. 1. P. 104-112.
2. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во СГУ. 2003.2. Usanov D.A., Skripal Al.V., Skripal An.V. Physics of semiconductor radio-frequency and optical autodynes. Saratov: Publishing house of Saratov State University. 2003.
3. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов. Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 2. С. 5-333. Noskov V.Ya., Smolsky S.M., Ignatkov K.A. et al. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 11. Fundamentals of autodyne implementation. Advances in modern radio electronics. 2019. No. 2. P. 5-33
4. Патент US 3383682, опубл. 14.05.1968, МПК G01S 13/88. Radar glasses for the blind / Jr Kenneth Dean Stephens.4. Patent US 3383682, publ. 05/14/1968, IPC G01S 13/88. Radar glasses for the blind / Jr Kenneth Dean Stephens.
5. Патент US 3852743, опубл. 03.12.1974, МПК G01S 9/44. Homodyne Doppler radar with increased target sensitivity / R Gupta.5. Patent US 3852743, publ. 03.12.1974, IPC G01S 9/44. Homodyne Doppler radar with increased target sensitivity / R Gupta.
6. Патент US 6577270, опубл. 10.06.2003, МПК G01S 13/38. Radar transceiver / Masayuki Kanechika.6. Patent US 6577270, publ. 06/10/2003, IPC G01S 13/38. Radar transceiver / Masayuki Kanechika.
7. Патент US 4117464, опубл. 26.09.78, МПК G01S 9/42. Microwave motion-detection apparatus employing a Gunn oscillator in a self-detecting mode / Erno B. Lutz.7. Patent US 4117464, published 09.26.78, IPC G01S 9/42. Microwave motion-detection apparatus employing a Gunn oscillator in a self-detecting mode / Erno B. Lutz.
8. Авт. свид. SU 1826073 А1, опубл. 07.07.1993, МПК G01S 7/42, бюл. № 25. Автодинный генератор / В.Т. Бузыкин, Н.М. Закарлюк, В.Я. Носков.8. Auth. certificate SU 1826073 A1, published 07.07.1993, IPC G01S 7/42, bulletin No. 25. Autodyne generator / V.T. Buzykin, N.M. Zakarlyuk, V.Ya. Noskov.
9. Патент US 8212718 B2, опубл. 03.07.2012, МПК G01S 13/04. Microwave / millimeter wave sensor apparatus / Hitoshi Utagawa.9. Patent US 8212718 B2, published 03.07.2012, IPC G01S 13/04. Microwave/millimeter wave sensor apparatus / Hitoshi Utagawa.
10. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 10. Основы анализа и расчёта параметров автодинов с учётом шумов. Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18-52.10. Noskov V.Ya., Smolsky S.M., Ignatkov K.A. et al. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 10. Fundamentals of analysis and calculation of autodyne parameters taking into account noise. Advances in modern radio electronics. 2018. No. 3. pp. 18-52.
11. Патент US 4319244, опубл. 09.02.1982, МПК G01S 13/58. Short-range Doppler radar / Yukitsugu Hirota.11. Patent US 4319244, published 09.02.1982, IPC G01S 13/58. Short-range Doppler radar / Yukitsugu Hirota.
12. Патент US 5043703, опубл. 28.08.1991, МПК G08B13/18. Supervision of autodyne microwave motion-detection system / William S.12. Patent US 5043703, published 08/28/1991, IPC G08B13/18. Supervision of autodyne microwave motion-detection system / William S.
13. Патент US 5481266A, опубл. 02.01.1996, МПК G01S 13/56. Autodyne motion sensor / Warren F. Davis.13. Patent US 5481266A, published 02.01.1996, IPC G01S 13/56. Autodyne motion sensor / Warren F. Davis.
14. Патент RU 2559940 C2, опубл. 20.08.2015, бюл. № 23. МПК A61B5/02. Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма / Д.А. Усанов и др.14. Patent RU 2559940 C2, published 20.08.2015, Bulletin No. 23. IPC A61B5/02. Method for remote monitoring of parameters of cardiac activity of the body / D.A. Usanov et al.
15. А.с. SU 339886, опубл. 24.05.1972, бюл. № 25, МПК G01S9/44. Устройство измерения радиальной скорости / Б.А. Стрюков, А.И. Бреннер.15. A.s. SU 339886, published 24.05.1972, bulletin No. 25, IPC G01S9/44. Device for measuring radial velocity / B.A. Stryukov, A.I. Brenner.
16. А.с. SU 1775696 А1, опубл. 15.11.1992, бюл. № 42, МПК G01S 13/02. Автодинный радиолокатор / В.Т. Бузыкин, С.Д. Воторопин, В.Я. Носков.16. A.s. SU 1775696 A1, published 15.11.1992, bulletin No. 42, IPC G01S 13/02. Autodyne radar / V.T. Buzykin, S.D. Votoropin, V.Ya. Noskov.
17. Заявка RU 2001107372 А от 19.03.2001, опубл. 10.03.2003, МПК G01S13/58. Автодинный радиолокатор / В.Я. Носков, С.Д. Воторопин.17. Application RU 2001107372 A dated 19.03.2001, published 10.03.2003, IPC G01S13/58. Autodyne radar / V.Ya. Noskov, S.D. Votoropin.
18. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 3. Функциональные особенности автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2007. № 11 С. 25-49.18. Votoropin S.D., Noskov V.Ya., Smolsky S.M. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 3. Functional features of autodynes // Advances in modern radio electronics. 2007. No. 11. P. 25-49.
19. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Зависимость автодинных характеристик от внутренних параметров СВЧ генераторов. Радиотехника. 2012. № 6. С. 24-42.19. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Smolsky S.M. Dependence of autodyne characteristics on internal parameters of microwave generators. Radio Engineering. 2012. No. 6. P. 24-42.
20. Носков В.Я., Игнатков К.А. Особенности шумовых характеристик автодинов при сильной внешней обратной связи. Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 12. С. 112-124.20. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Features of noise characteristics of autodynes with strong external feedback. News of universities. Physics. 2013. Vol. 56, No. 12. P. 112-124.
21. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 8. Автодины со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором. Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 12. С. 3-42.21. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Smolsky S.M. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 8. Autodynes with frequency stabilization by an external high-Q resonator. Advances in modern radio electronics. 2013. No. 12. P. 3-42.
22. Носков В.Я. Стабилизированный бигармонический автодин. Известия вузов. Радиоэлектроника. 1991. Т. 34. № 11. С. 61-64.22. Noskov V.Ya. Stabilized biharmonic autodyne. News of universities. Radio electronics. 1991. Vol. 34. No. 11. Pp. 61-64.
23. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Автодинный эффект системы двух взаимно синхронизированных генераторов при сильной связи. Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 2. С. 200-208.23. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupakhin A.P. Autodyne effect of a system of two mutually synchronized generators with strong coupling. Radio Engineering and Electronics. 2018. Vol. 63. No. 2. P. 200-208.
24. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Автодинный эффект СВЧ генераторов с внешней синхронизацией. Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. № 6. С. 612-620.24. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. Autodyne effect of microwave generators with external synchronization. Radio engineering and electronics. 2020. Vol. 65. No. 6. P. 612-620.
25. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 13. Стабилизированные внешним резонатором автодины при сильном отражённом излучении. Успехи современной радиоэлектроники. 2020. № 1. С. 5-21.25. Noskov V.Ya., Smolsky S.M., Ignatkov K.A., Chupakhin A.P. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 13. Autodynes stabilized by an external resonator with strong reflected radiation. Advances in modern radio electronics. 2020. No. 1. P. 5-21.
26. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. и др. Автодинный отклик синхронизированных СВЧ генераторов по изменению выходной мощности. Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2020. Т. 11. № 5. С. 8-14.26. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. et al. Autodyne response of synchronized microwave generators to changes in output power. Systems for synchronization, generation and processing of signals. 2020. Vol. 11. No. 5. P. 8-14.
27. Носков В.Я., Васильев А.С., Ермак Г.П., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Флуктуационные характеристики автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией. Известия вузов. Радиоэлектроника. 2017. Т. 60. № 3. С. 154-165.27. Noskov V.Ya., Vasiliev A.S., Ermak G.P., Ignatkov K.A., Chupakhin A.P. Fluctuation characteristics of autodyne radars with frequency modulation. News of universities. Radio electronics. 2017. Vol. 60. No. 3. P. 154-165.
28. Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1972. - 320 с.28. Antennas and microwave devices. Calculation and design of antenna arrays and their radiating elements. / Ed. D.I. Voskresensky. - M.: Radio and communication, 1972. - 320 p.
29. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. - М.: Радио и связь, 1982. - 112 с.29. Tsarapkin D.P. Microwave generators on Gunn diodes. - M.: Radio and communication, 1982. - 112 p.
30. Баранов А.В., Кревский М.А. Транзисторные генераторы гармонических СВЧ колебаний. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.30. Baranov A.V., Krevsky M.A. Transistor generators of harmonic microwave oscillations. - M.: Hot Line - Telecom, 2021. - 276 p.
31. Руководство пользователя: Семейство микроконтроллеров MSP430Х1ХХ. Пер. с англ. - М.: Изд. ЗАО Компэл, 2004. - 368 с.31. User's Guide: MSP430X1XX Microcontroller Family. Translated from English. - M.: Publishing House ZAO Kompel, 2004. - 368 p.
32. Белов Л.А. Опорные генераторы. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № 6. С. 38-44.32. Belov L.A. Reference generators. Electronics: Science, Technology, Business. 2004. No. 6. P. 38-44.
33. Жабин А.С. Синтезаторы частот с системой фазовой автоподстройки: учебное пособие. - М.: Издательство МЭИ, 2016. - 64 с.33. Zhabin A.S. Frequency synthesizers with a phase-locked loop system: a tutorial. - M.: MEI Publishing House, 2016. - 64 p.
34. Белов Л.А. Синтезатор стабильных частот. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № 3. С. 38-44.34. Belov L.A. Stable frequency synthesizer. Electronics: Science, Technology, Business. 2004. No. 3. P. 38-44.
35. Ченакин А.В., Горевой А.В. Практическое построение синтезаторов частот СВЧ диапазона. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 280 с.35. Chenakin A.V., Gorevoy A.V. Practical construction of microwave frequency synthesizers. - M.: Hot Line - Telecom, 2021. - 280 p.
36. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 7. Динамика формирования автодинных и модуляционных характеристик. Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 6. С. 3-52.36. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Smolsky S.M. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application. Part 7. Dynamics of formation of autodyne and modulation characteristics. Advances in modern radio electronics. 2013. No. 6. P. 3-52.
37. Патент RU 2695799, 29.07.2019, МПК G01S 13/42. Способ определения параметров движения объектов локации в радиолокационных датчиках с частотной манипуляцией непрерывного излучения радиоволн и устройство для его реализации / В.Я. Носков, К.А. Игнатков.37. Patent RU 2695799, 29.07.2019, IPC G01S 13/42. Method for determining the parameters of movement of location objects in radar sensors with frequency manipulation of continuous radio wave radiation and a device for its implementation / V. Ya. Noskov, K. A. Ignatkov.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2846508C1 true RU2846508C1 (en) | 2025-09-08 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3500399A (en) * | 1968-03-08 | 1970-03-10 | Singer Inc H R B | Frequency translation process and apparatus therefor |
| JPS53118996A (en) * | 1977-03-28 | 1978-10-17 | Boeicho Gijutsu Kenkyu Honbuch | Small radar sensor with error preventing function |
| GB1605299A (en) * | 1955-09-23 | 1988-07-13 | Duncan B S | Radar systems |
| RU2624993C1 (en) * | 2016-05-30 | 2017-07-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Autodyne transmitter-receiver of the atmospheric radio probing system |
| RU2808775C1 (en) * | 2023-03-31 | 2023-12-05 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Method for doppler determination of motion parameters of airlogical radiosonde and radar system for its implementation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1605299A (en) * | 1955-09-23 | 1988-07-13 | Duncan B S | Radar systems |
| US3500399A (en) * | 1968-03-08 | 1970-03-10 | Singer Inc H R B | Frequency translation process and apparatus therefor |
| JPS53118996A (en) * | 1977-03-28 | 1978-10-17 | Boeicho Gijutsu Kenkyu Honbuch | Small radar sensor with error preventing function |
| RU2624993C1 (en) * | 2016-05-30 | 2017-07-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Autodyne transmitter-receiver of the atmospheric radio probing system |
| RU2808775C1 (en) * | 2023-03-31 | 2023-12-05 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь") | Method for doppler determination of motion parameters of airlogical radiosonde and radar system for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БЕЛОВ Л.А. Синтезаторы стабильных частот // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004, N 3, с. 38-44. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPS6361977A (en) | Frequency modulation continuous wave radar system for measuring range | |
| JP7326730B2 (en) | distance speed measuring device | |
| Noskov et al. | Signals of autodyne sensors with sinusoidal frequency modulation | |
| CN101361007B (en) | Modulation signal generating circuit, sending and receiving module, and radar device | |
| US6950639B2 (en) | Local oscillator for generating an HF signal for direct mixing by using avalanche photodiodes | |
| Noskov et al. | Application of two-diode autodynes in devices for radiowave control of product dimensions | |
| Nagora et al. | Design & development of 140 GHz D-band phase locked heterodyne interferometer system for real-time density measurement | |
| CN100390564C (en) | Radio method for measuring height with large range and high precision | |
| Mushtaq et al. | A 79-GHz scalable FMCW MIMO automotive radar transceiver architecture with injection-locked synchronization | |
| US7075378B2 (en) | High spectral purity microwave oscillator using air-dielectric cavity | |
| Naghavi et al. | 24.4 sub-THz ruler: Spectral bistability in a 235GHz self-injection-locked oscillator for agile and unambiguous ranging | |
| Noskov | A double-diode autodyne transceiver | |
| RU2846508C1 (en) | Autodyne radar | |
| US7095366B2 (en) | High-frequency oscillation apparatus, radio apparatus, and radar | |
| JP4591592B2 (en) | Modulation signal generation circuit, transmission / reception module, and radar apparatus | |
| RU2345379C1 (en) | Vhf module of superregenerative transceiver of radiosonde | |
| US20230216510A1 (en) | Dual mode phase looked loop (pll) for frequency-modulated continuous wave (fmcw) radar | |
| Votoropin et al. | Analysis of Operating Regimes of EHF Hybrid-Integrated Autodynes Based on the Gunn Micropower Mesaplanar Diodes | |
| CN102611389B (en) | Modulation signal generation circuit, sending and receiving module and radar device | |
| RU2849049C1 (en) | Autodynamic radar | |
| Ermak et al. | Moving object signal peculiarities of an autodyne radar with symmetric saw-tooth FM law | |
| US20250102621A1 (en) | Radar sensor | |
| JP2004198306A (en) | Distance measuring device | |
| RU2779887C1 (en) | Autodyne transceiver for short-range radio location systems | |
| RU2843340C1 (en) | Autodyne transceiver for short-range radar systems |