RU2362180C2

RU2362180C2 - Short-range radiolocator with ultra high resolution (versions)

Info

Publication number: RU2362180C2
Application number: RU2007131137/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Евгеньевич Хабаров (RU); Юрий Евгеньевич Хабаров; Аркадий Сергеевич Догадин (RU); Аркадий Сергеевич Догадин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Интеллектуальные сканирующие системы"
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-07-20
Also published as: RU2007131137A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in radar systems with high and ultra high resolution specifically purposed for detection and identification of explosives. Applied radiolocator contains transmitter consisting of voltage-controlled generator, which output is connected to transmitting antenna through power splitter, and phase lock channel switched on between the second output and control input of generator; receiver consisting of series-connected receiving antennae, balanced mixer, the second balanced mixer, band-pass filter, intermediate frequency amplifier, phase detector and analog-to-digital converter (ADC); output of ADC is connected to input of control module, clock generator is connected to the second input and outputs of control module are connected with control inputs of frequency synthesizer of phase lock channel, idler frequency shaping unit and ADC; the first output of idler frequency shaping unit is connected to the second input of phase detector, remaining outputs of this unit are connected to inputs of balanced mixer; the second input of the second balanced mixer is connected with output of directional coupler, reference frequency generator is connected to inputs of reference signal frequency synthesizer of phase lock channel and idler frequency shaping unit. In the second option of radiolocator input signal of intermediate frequency amplifier is processed by two phase detectors manufactured in the form of analog multipliers and two ADCs.

EFFECT: increase in consistency of device operation in wide frequency tuning range.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах с высоким и ультравысоким разрешением, в частности предназначенных для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ.The invention relates to radio engineering and can be used in radar systems with high and ultra-high resolution, in particular intended for the detection and identification of explosives.

Известны радиолокаторы с ультравысоким разрешением, излучающие в окружающее пространство сверхкороткие видеоимпульсы длительностью около 200 пс. Описание таких радиолокаторов приведено, например, в патентах: US 5361070, G01S 7/28, 01.11.94; US 5457394, G01S 7/285, 10.10.95; US 5757320, G01S 7/285, 26.05.98. Эти радиолокаторы обеспечивают уникальные возможности обнаружения и распознавания весьма малых объектов и даже возможность обнаружения целей за материальными преградами. Однако в ряде случаев, в частности, для распознавания материала, из которого выполнен неэлектропроводящий объект (RU 2283485, G01N 22/00, 10.09.06; RU 2301432, G01V 3/12, 20.06.07), либо для высокоточного бесконтактного измерения дистанции до объекта, кроме информации о запаздывании зондирующего импульса, необходима информация о величине фазовых сдвигов его спектральных составляющих.Known ultra-high-resolution radars emitting ultra-short video pulses with a duration of about 200 ps into the surrounding space. A description of such radars is given, for example, in patents: US 5361070, G01S 7/28, 01/01/94; US 5457394, G01S 7/285, 10/10/95; US 5757320, G01S 7/285, 05/26/98. These radars provide unique capabilities for the detection and recognition of very small objects and even the ability to detect targets behind material barriers. However, in some cases, in particular, for recognition of the material from which the non-conductive object is made (RU 2283485, G01N 22/00, 09/10/06; RU 2301432, G01V 3/12, 06/20/07), or for highly accurate non-contact distance measurement to In addition to information about the delay of the probe pulse, information is needed on the magnitude of the phase shifts of its spectral components.

Известно устройство, которое позволяет получить такую информацию (US 4618863, G01S 13/34, 21.10.86). В этом устройстве зондирующий сигнал имеет вид квазинепрерывных высокочастотных колебаний с частотой, периодически изменяемой во времени. При этом в двухканальном радиочастотном смесителе на входе приемника создаются биения принимаемого сигнала с сигналом передатчика. Сигнал передатчика поступает на смесители с относительным сдвигом по фазе на 90° на центральной частоте диапазона перестройки, что позволяет выделить квадратурные составляющие в виде постоянных напряжений на выходах смесителей, которые несут информацию об амплитуде и фазе принимаемого сигнала. Теоретически, это устройство может быть эквивалентно сверхкороткоимпульсному радиолокатору при условии, что его диапазон перестройки относительно центральной частоты вдвое шире спектра частот видеоимпульса упомянутого радиолокатора. Вместе с тем оно имеет существенный недостаток, который заключается в том, что даже в отсутствие принимаемого сигнала на выходах квадратурных смесителей имеются практически неустранимые напряжения сдвига, уровень которых может намного превосходить полезные составляющие. Этот эффект связан с тем, что даже в высококачественных микросхемах двойных балансных смесителей невозможно добиться идеального баланса, в результате чего часть энергии гетеродина проникает на входы смесителей и, отразившись от предшествующих неидеально согласованных входных цепей приемника, поступает обратно на входы смесителей и создает упомянутый эффект.A device is known that allows to obtain such information (US 4618863, G01S 13/34, 10.21.86). In this device, the probing signal has the form of quasi-continuous high-frequency oscillations with a frequency that varies periodically in time. In this case, in a two-channel radio-frequency mixer at the input of the receiver, beats of the received signal with the signal of the transmitter are created. The transmitter signal is fed to the mixers with a relative phase shift of 90 ° at the center frequency of the tuning range, which makes it possible to isolate the quadrature components in the form of constant voltages at the outputs of the mixers, which carry information about the amplitude and phase of the received signal. Theoretically, this device can be equivalent to an ultrashort pulse radar provided that its tuning range relative to the center frequency is twice the frequency spectrum of the video pulse of the said radar. However, it has a significant drawback, which consists in the fact that even in the absence of a received signal at the outputs of the quadrature mixers, there are practically unavoidable shear stresses, the level of which can far exceed the useful components. This effect is due to the fact that even in high-quality microchips of double balanced mixers it is impossible to achieve perfect balance, as a result of which part of the local oscillator energy penetrates the inputs of the mixers and, reflected from the previous imperfectly matched receiver input circuits, goes back to the inputs of the mixers and creates the aforementioned effect.

В качестве прототипа принят радиолокатор непрерывного излучения, используемый в радиоволновом извещателе для охранной тревожной сигнализации (RU 2221260, G01S 13/56, 10.01.04), содержащий СВЧ блок, состоящий из задающего генератора, передающей антенны и последовательно включенных приемной антенны и доплеровского смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, а также последовательно соединенные малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователь сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, к первому выходу генератора опорной частоты последовательно подключены балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, фильтр нижних частот и передающая антенна, к выходу доплеровского смесителя последовательно подключены усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора опорной частоты, а выход подключен к выходу малошумящего усилителя. В этом устройстве посредством балансного смесителя осуществляют сдвиг частоты задающего генератора вниз на частоту генератора опорной частоты, после чего разностную частоту пропускают через фильтр нижних частот к передающей антенне, а сигнал суммарной частоты задерживают. Принимаемый сигнал поступает с приемной антенны на доплеровский смеситель, на выходе которого (в отсутствие доплеровских сдвигов) появляется сигнал с частотой генератора опорной частоты. Таким образом, устраняется описанный выше нежелательный сдвиг выходного напряжения смесителя.A continuous radiation radar used in a radio wave detector for burglar alarms (RU 2221260, G01S 13/56, 10.01.04) containing a microwave unit consisting of a master oscillator, a transmitting antenna and a series-connected receiving antenna and a Doppler mixer was adopted as a prototype. the second input of which is connected to the first output of the master oscillator, as well as a series-connected low-noise amplifier, a notch filter, a low-frequency amplifier, a limiter, the limit level of which is set an additional integrator, an amplitude detector, an integrator, a comparator, the second input of which is connected to the output of the reference voltage unit, and an alarm driver, the output of which is the detector output, to the first output of the reference frequency generator, a balanced mixer is connected in series, the second input of which is connected to the second output of the reference generator, low-pass filter and transmitting antenna, an intermediate-frequency amplifier and a phase detector are connected in series to the output of the Doppler mixer the second input of which is connected to the second output of the reference frequency generator, and the output is connected to the output of a low-noise amplifier. In this device, by means of a balanced mixer, the frequency of the master oscillator is shifted down by the frequency of the reference frequency generator, after which the difference frequency is passed through a low-pass filter to the transmitting antenna, and the signal of the total frequency is delayed. The received signal is transmitted from the receiving antenna to the Doppler mixer, at the output of which (in the absence of Doppler shifts) a signal appears with the frequency of the reference frequency generator. Thus, the undesired shift of the mixer output voltage described above is eliminated.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство работает в весьма широком диапазоне частот, вплоть до октавы, поэтому использованный в прототипе прием с отфильтровыванием суммарной частоты в передающем тракте и излучением разностной частоты использован быть не может.Compared with the prototype, the proposed device operates in a very wide frequency range, up to an octave, therefore, the technique used in the prototype with filtering the total frequency in the transmitting path and the radiation of the difference frequency cannot be used.

Технический результат заключается в повышении стабильности работы устройства в широком диапазоне перестройки частоты.The technical result consists in increasing the stability of the device in a wide range of frequency tuning.

Технический результат для первого варианта изобретения достигается тем, что в радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением, содержащий генератор, балансный смеситель, передающую и приемную антенны, генератор опорной частоты, второй балансный смеситель, фильтр нижних частот, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, согласно изобретению введены синтезатор частот, усилитель постоянного тока, делитель мощности, СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, полосовой фильтр, блок формирования вспомогательной частоты, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления и тактовый генератор, при этом генератор выполнен управляемым напряжением, а его выход подключен к передающей антенне через делитель мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора, управляемого напряжением, включены последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, синтезатор частот, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, генератор опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора частот и блока формирования вспомогательной частоты, приемная антенна подключена к входу балансного смесителя, выход которого соединен с входом второго балансного смесителя, соединенного через полосовой фильтр с входом усилителя промежуточной частоты, к выходу которого подключен первый вход фазового детектора, выход фазового детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом модуля управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор, первый, второй и третий выходы модуля управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора частот, блока формирования вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя, четвертый выход модуля управления является выходом устройства, первый выход блока формирования вспомогательной частоты соединен со вторым входом фазового детектора, второй и третий выходы блока формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя, второй вход второго балансного смесителя соединен с выходом направленного ответвителя.The technical result for the first embodiment of the invention is achieved in that an ultra-high resolution short-range radar comprising a generator, a balanced mixer, a transmitting and receiving antenna, a reference frequency generator, a second balanced mixer, a low-pass filter, an intermediate frequency amplifier and a phase detector according to the invention introduced a frequency synthesizer, a DC amplifier, a power divider, a microwave amplifier, a directional coupler, a frequency divider, a bandpass filter, an auxiliary unit frequency, analog-to-digital converter, control module and clock generator, the generator is controlled voltage, and its output is connected to the transmitting antenna through a power divider, between the second output of which and the control input of the voltage controlled generator, series-connected microwave amplifier is connected, directional coupler, frequency divider, frequency synthesizer, low-pass filter and DC amplifier, the reference frequency generator is connected to the inputs of the reference signal synthesis a frequency torus and an auxiliary frequency generating unit, the receiving antenna is connected to the input of the balanced mixer, the output of which is connected to the input of the second balanced mixer, connected through the bandpass filter to the input of the intermediate frequency amplifier, to the output of which the first input of the phase detector is connected, the output of the phase detector through analog the digital converter is connected to the input of the control module, to the second input of which a clock generator is connected, the first, second and third outputs of the control module are connected respectively, with the control inputs of the frequency synthesizer, auxiliary frequency generating unit and analog-to-digital converter, the fourth output of the control module is the output of the device, the first output of the auxiliary frequency generating unit is connected to the second input of the phase detector, the second and third outputs of the auxiliary frequency generating unit are connected to the second and to the third inputs of the balanced mixer, the second input of the second balanced mixer is connected to the output of the directional coupler.

Технический результат для второго варианта изобретения достигается тем, что в радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением, содержащий генератор, балансный смеситель, передающую и приемную антенны, генератор опорной частоты, второй балансный смеситель, фильтр нижних частот, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, согласно изобретению введены синтезатор частот, усилитель постоянного тока, делитель мощности, СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, полосовой фильтр, блок формирования вспомогательной частоты, второй фазовый детектор, два аналого-цифровых преобразователя, модуль управления и тактовый генератор, при этом генератор выполнен управляемым напряжением, а его выход подключен к передающей антенне через делитель мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора, управляемого напряжением, включены последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель, делитель частоты, синтезатор частот, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, генератор опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора частот и блока формирования вспомогательной частоты, приемная антенна подключена к входу балансного смесителя, выход которого соединен с входом второго балансного смесителя, соединенного через полосовой фильтр с входом усилителя промежуточной частоты, к выходу которого подключены первые входы фазовых детекторов, выходы первого и второго фазовых детекторов соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и третьим входами модуля управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор, первый, второй и третий выходы модуля управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора частот, блока формирования вспомогательной частоты, первого и второго аналого-цифровых преобразователей, четвертый выход модуля управления является выходом устройства, первый и четвертый выходы блока формирования вспомогательной частоты соединены со вторыми входами соответственно первого и второго фазовых детекторов, второй и третий выходы блока формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя, второй вход второго балансного смесителя соединен с выходом направленного ответвителя.The technical result for the second embodiment of the invention is achieved in that an ultra-high resolution short-range radar comprising a generator, a balanced mixer, a transmitting and receiving antenna, a reference frequency generator, a second balanced mixer, a low-pass filter, an intermediate frequency amplifier and a phase detector according to the invention introduced a frequency synthesizer, a DC amplifier, a power divider, a microwave amplifier, a directional coupler, a frequency divider, a bandpass filter, an auxiliary unit frequency, a second phase detector, two analog-to-digital converters, a control module and a clock generator, the generator is voltage-controlled, and its output is connected to the transmitting antenna through a power divider, between the second output of which and the control input of the voltage-controlled generator are included serially connected microwave amplifier, directional coupler, frequency divider, frequency synthesizer, low-pass filter and DC amplifier, the reference frequency generator is connected to the input I will give the reference signal of the frequency synthesizer and the auxiliary frequency generating unit, the receiving antenna is connected to the input of the balanced mixer, the output of which is connected to the input of the second balanced mixer, connected through the bandpass filter to the input of the intermediate frequency amplifier, to the output of which the first inputs of the phase detectors are connected, the outputs of the first and the second phase detectors, respectively, through the first and second analog-to-digital converters are connected to the first and third inputs of the control module, to the second input to of which a clock generator is connected, the first, second and third outputs of the control module are connected respectively to the control inputs of the frequency synthesizer, auxiliary frequency generating unit, first and second analog-to-digital converters, the fourth output of the control module is the device output, the first and fourth outputs of the auxiliary frequency generating unit connected to the second inputs of the first and second phase detectors, respectively, the second and third outputs of the auxiliary frequency generating unit under are connected respectively to the second and third inputs of the balanced mixer, the second input of the second balanced mixer is connected to the output of the directional coupler.

На чертеже (фиг.1) представлена функциональная схема радиолокатора ближнего действия с ультравысоким разрешением для первого варианта изобретения. Функциональная схема для второго варианта изобретения представлена на фиг.2.The drawing (figure 1) shows a functional diagram of a short-range radar with ultra-high resolution for the first embodiment of the invention. Functional diagram for the second variant of the invention is presented in figure 2.

Радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением содержит передающий блок 1, состоящий из генератора 2, управляемого напряжением, выход генератора 2 подключен к передающей антенне 3 через делитель 4 мощности, между вторым выходом которого и управляющим входом генератора 2, управляемого напряжением, включен канал фазовой автоподстройки частоты состоящий из последовательно соединенных СВЧ усилителя 5, направленного ответвителя 6, делителя 7 частоты, синтезатора 8 частот, фильтра 9 нижних частот и усилителя 10 постоянного тока, приемный блок 11 состоит из последовательно соединенных приемной антенны 12, балансного смесителя 13, второго балансного смесителя 14, полосового фильтра 15, усилителя 16 промежуточной частоты, фазового детектора 17 и аналого-цифрового преобразователя 18, выход аналого-цифрового преобразователя 18 соединен с входом модуля 19 управления, ко второму входу которого подключен тактовый генератор 20, первый, второй и третий выходы модуля 19 управления соединены соответственно с управляющими входами синтезатора 8 частот, блока 21 формирования вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя 18, четвертый выход модуля 19 управления является выходом устройства, первый выход блока 21 формирования вспомогательной частоты соединен со вторым входом фазового детектора 17, второй и третий выходы блока 21 формирования вспомогательной частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам балансного смесителя 13, второй вход второго балансного смесителя 14 соединен с выходом направленного ответвителя 6, генератор 22 опорной частоты подключен к входам опорного сигнала синтезатора 8 частот и блока 21 формирования вспомогательной частоты.An ultra-high resolution short-range radar contains a transmitting unit 1, consisting of a voltage-controlled generator 2, the output of the generator 2 is connected to the transmitting antenna 3 through a power divider 4, a phase-locked loop is included between the second output of which and the control input of the voltage-controlled generator 2 consisting of a series-connected microwave amplifier 5, a directional coupler 6, a frequency divider 7, a frequency synthesizer 8, a low-pass filter 9 and a direct current amplifier 10, receiving The second block 11 consists of a series-connected receiving antenna 12, a balanced mixer 13, a second balanced mixer 14, a bandpass filter 15, an intermediate frequency amplifier 16, a phase detector 17 and an analog-to-digital converter 18, the output of the analog-to-digital converter 18 is connected to the input of the module 19 control, to the second input of which the clock generator 20 is connected, the first, second and third outputs of the control module 19 are connected respectively to the control inputs of the frequency synthesizer 8, block 21 forming the auxiliary frequency and analog-to-digital Converter 18, the fourth output of the control module 19 is the output of the device, the first output of the auxiliary frequency generating unit 21 is connected to the second input of the phase detector 17, the second and third outputs of the auxiliary frequency generating unit 21 are connected respectively to the second and third inputs of the balanced mixer 13, the second input of the second balanced mixer 14 is connected to the output of the directional coupler 6, the reference frequency generator 22 is connected to the inputs of the reference signal of the frequency synthesizer 8 and an auxiliary frequency generating unit 21.

По второму варианту изобретения радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением дополнительно содержит второй фазовый детектор 23 и второй аналого-цифровой преобразователь 24. При этом первые входы фазовых детекторов (17, 23) подключены к выходу усилителя 16 промежуточной частоты, а их выходы соединены с первым и третьим входами модуля 19 управления соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи (18, 24), управляющие входы которых соединены с третьим выходом модуля 19 управления, первый и четвертый выходы блока формирования вспомогательной частоты соединены со вторыми входами соответственно первого и второго фазовых детекторов.According to a second embodiment of the invention, the ultra-high-resolution short-range radar further comprises a second phase detector 23 and a second analog-to-digital converter 24. Moreover, the first inputs of the phase detectors (17, 23) are connected to the output of the intermediate frequency amplifier 16, and their outputs are connected to the first and the third inputs of the control module 19, respectively, through the first and second analog-to-digital converters (18, 24), the control inputs of which are connected to the third output of the control module 19, the first and fourth outputs of the block the auxiliary frequency formation is connected to the second inputs of the first and second phase detectors, respectively.

Радиолокатор ближнего действия с ультравысоким разрешением работает следующим образом.Ultra-high-resolution short-range radar operates as follows.

Генератор 2, управляемый напряжением (ГУН), обеспечивает перестройку в заданном широком диапазоне частот (известен ряд микросхем ГУН, обеспечивающих перестройку по частоте в двукратном и более диапазоне частот). Синтезатор 8 частот получает команду от модуля 19 управления на выработку заданной частоты через задание определенных коэффициентов деления частоты генерации генератора 2 и опорной частоты генератора 22, после чего по истечении определенного времени сигнал заданной частоты появляется на выходе передающего блока 1 и излучается передающей антенной 3 в окружающее пространство. Подобным образом последовательно во времени формируется ряд частот, в совокупности перекрывающих заданный диапазон рабочих частот радиолокатора. Количество частот, практически, не ограничено. Точность формирования заданных частот определяется (в основном) стабильностью опорной частоты и может быть весьма высокой. Сигнал заданной частоты, излученный в окружающее пространство, отражается от окружающих предметов, часть отраженной энергии сигнала попадает на приемную антенну 12 и поступает на балансный смеситель 13. На выходе балансного смесителя 13 появляются сигналы, соответствующие сумме или разности частоты принятого сигнала и четверти опорной частоты. Во втором балансном смесителе 14 происходит суммирование и вычитание упомянутых частот с частотой генератора 2. В результате на выходе второго балансного смесителя 14 присутствует сигнал промежуточной частоты, равной четверти опорной частоты, гармоники промежуточной частоты, а также весьма высокие частоты порядка частоты генератора 2 и ее гармоник. Полосовой фильтр 15 выделяет сигнал промежуточной частоты, подавляя в той или иной мере все остальные. После усиления в усилителе 16 промежуточной частоты принятый сигнал поступает на первый вход фазового детектора 17, выполненного в виде аналогового перемножителя. На второй вход фазового детектора 17 поступает от блока 21 формирования вспомогательной частоты опорный сигнал с частотой, равной четверти опорной частоты, в результате чего на выходе фазового детектора появляется постоянное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу относительной фазы принятого сигнала. Выделение синусной или косинусной составляющей зависит от того, с каким сдвигом по фазе поступает на второй вход опорный сигнал. Поэтому для каждого комплекта частот генератора 2 предусмотрен перемежающийся сдвиг по фазе: то 0°, то 90°. Это позволяет повысить точность измерения фазы за счет исключения погрешностей, вносимых аналоговым перемножителем. [Под комплектом частот подразумевается совокупность частот, соответствующих полному диапазону перестройки между минимальной и максимальной частотами.] С целью сокращения времени, необходимого для прохождения всего рабочего диапазона частот, предусмотрена перестройка вначале с нарастанием частоты, вплоть до ее максимального значения, а затем - с убыванием в обратном порядке, вплоть до минимальной частоты. При поступлении на синтезатор 8 частот очередной команды на перестройку частоты от модуля 19 управления в описанной системе фазовой автоподстройки возникает переходной процесс, имеющий колебательный характер, при котором заданная частота устанавливается в течение определенного времени, принимая то большее, то меньшее значение, постепенно приближаясь к заданному установившемуся значению. Повлиять на этот процесс невозможно в силу определенной физической природы замкнутой системы автоматического регулирования. Поэтому с целью достижения наибольшей точности выборка сигнала в аналого-цифровом преобразователя 18 производится непосредственно перед моментом поступления следующей команды на перестройку. Описанный здесь зондирующий сигнал в виде совокупности поочередно излучаемых сигналов с фиксированной частотой представляет собой частотно-дискретный сигнал, эквивалентный традиционно используемому ЛЧМ-сигналу в РЛС непрерывного излучения с тем, однако, преимуществом, что в предлагаемом устройстве каждая дискретная составляющая имеет строго определенную частоту и относительно точно измеренную фазу, что существенно во многих приложениях.The voltage-controlled generator (VCO) 2 provides tuning in a given wide range of frequencies (a number of VCO microcircuits are known that provide frequency tuning in a double or more frequency range). Frequency synthesizer 8 receives a command from the control module 19 to generate a given frequency by setting certain division factors for the frequency of generation of the generator 2 and the reference frequency of the generator 22, after which after a certain time the signal of the given frequency appears at the output of the transmitting unit 1 and is emitted by the transmitting antenna 3 into the surrounding space. In a similar way, a series of frequencies are formed sequentially in time, which in aggregate cover a given range of radar operating frequencies. The number of frequencies is practically unlimited. The accuracy of the formation of the given frequencies is determined (mainly) by the stability of the reference frequency and can be very high. A signal of a given frequency radiated into the surrounding space is reflected from surrounding objects, part of the reflected energy of the signal goes to the receiving antenna 12 and is fed to the balanced mixer 13. At the output of the balanced mixer 13, signals corresponding to the sum or difference of the frequency of the received signal and a quarter of the reference frequency appear. In the second balanced mixer 14, the aforementioned frequencies are added and subtracted with the frequency of the generator 2. As a result, the output of the second balanced mixer 14 contains an intermediate frequency signal equal to a quarter of the reference frequency, the intermediate frequency harmonic, and also very high frequencies on the order of the frequency of the generator 2 and its harmonics . The band-pass filter 15 emits an intermediate frequency signal, suppressing all the others to one degree or another. After amplification in the amplifier 16 of the intermediate frequency, the received signal is fed to the first input of the phase detector 17, made in the form of an analog multiplier. At the second input of the phase detector 17, a reference signal is supplied from the auxiliary frequency generating unit 21 with a frequency equal to a quarter of the reference frequency, as a result of which a constant voltage appears at the output of the phase detector, proportional to the sine or cosine of the relative phase of the received signal. The selection of the sine or cosine component depends on the phase shift of the reference signal to the second input. Therefore, for each set of frequencies of the generator 2, an alternating phase shift is provided: either 0 ° or 90 °. This makes it possible to increase the accuracy of phase measurement by eliminating the errors introduced by the analog multiplier. [A set of frequencies means a set of frequencies corresponding to the full tuning range between the minimum and maximum frequencies.] In order to reduce the time required to cover the entire working frequency range, tuning is provided first with increasing frequency, up to its maximum value, and then decreasing in reverse order, up to the minimum frequency. Upon receipt of the next command to the frequency synthesizer 8 for frequency tuning from the control module 19 in the described phase-locked loop system, a transient process occurs, which has an oscillatory nature, in which the given frequency is set for a certain time, taking either a larger or a smaller value, gradually approaching a given steady-state value. It is impossible to influence this process due to the specific physical nature of a closed system of automatic regulation. Therefore, in order to achieve the greatest accuracy, the signal is sampled in the analog-to-digital converter 18 immediately before the moment the next tuning command arrives. The probe signal described here in the form of a set of alternately emitted signals with a fixed frequency is a frequency-discrete signal equivalent to the traditionally used chirp signal in a continuous-wave radar with the advantage, however, that in the proposed device each discrete component has a strictly defined frequency and relatively accurately measured phase, which is essential in many applications.

Во втором варианте выполнения предложенного радиолокатора после усиления в усилителе 16 промежуточной частоты принятый сигнал поступает на первые входы фазовых детекторов 17 и 23, выполненных в виде аналоговых перемножителей. На вторые входы фазовых детекторов 17 и 23 от блока 21 формирования вспомогательной частоты поступает опорный сигнал с частотой, равной четверти опорной частоты, причем опорные сигналы, поступающие на первый и второй фазовые детекторы, имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на 90°. В результате чего на выходе фазовых детекторов появляется постоянное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу относительной фазы принятого сигнала. Далее выходные сигналы фазовых детекторов подвергаются аналого-цифровому преобразованию и поступают в модуль 19 управления для дальнейшей их передачи на выход устройства. Выделение синусной или косинусной составляющей зависит от того, с каким сдвигом по фазе поступает на второй вход фазового детектора (17, 23) опорный сигнал. Использование двух фазовых детекторов и двух аналого-цифровых преобразователей позволяет повысить точность преобразования выходного сигнала усилителя 16 промежуточной частоты, которая необходима для измерения фазы при относительно быстром перемещении объекта.In the second embodiment of the proposed radar after amplification in the intermediate frequency amplifier 16, the received signal is fed to the first inputs of the phase detectors 17 and 23, made in the form of analog multipliers. The second inputs of the phase detectors 17 and 23 from the auxiliary frequency generating unit 21 receive a reference signal with a frequency equal to a quarter of the reference frequency, and the reference signals supplied to the first and second phase detectors have a 90 ° phase shift relative to each other. As a result, a constant voltage appears at the output of the phase detectors, proportional to the sine or cosine of the relative phase of the received signal. Next, the output signals of the phase detectors are subjected to analog-to-digital conversion and enter the control module 19 for their further transmission to the output of the device. The selection of the sine or cosine component depends on the phase shift with which the reference signal arrives at the second input of the phase detector (17, 23). The use of two phase detectors and two analog-to-digital converters can improve the accuracy of the conversion of the output signal of the intermediate frequency amplifier 16, which is necessary for measuring the phase with a relatively fast movement of the object.

По предложенной схеме был изготовлен и испытан макет радиолокатора, работающий в СВЧ диапазоне частот. Диапазон перестройки составлял 4 ГГц. Выходной сигнал передатчика 1 имеет вид радиоимпульсов с синусоидальным заполнением и дискретно изменяемой частотой. Если применить ко всему комплекту частот обратное преобразование Фурье, то спектру в 4 ГГц соответствовал бы радиоимпульс длительностью около 500 пикосекунд (Баскаков С.В. Радиотехнические цепи и сигналы. - М., Радио и связь, 1986). Для построения генератора, управляемого напряжением могут быть использованы известные микросхемы ГУН, обеспечивающие перестройку и в более широком диапазоне частот, например микросхема HMC587LC4B с диапазоном перестройки до 6 ГГц. Достижимый диапазон перестройки можно расширить, если применить, например два ГУН - один для низшей части требуемого диапазона частот, а другой для его высшей части. Например, использование двух микросхем: HMC586LC4B и HMC588LC4B - обеспечит перестройку в пределах от 4.5 до 12.5 ГГц. Блок 21 формирования вспомогательной частоты и модуль 19 управления могут быть выполнены, например, на микросхемах фирмы Altera. Фазовый детектор 17 может быть выполнен, например, на высокоточной микросхеме аналогового перемножителя AD835 (Analog Devices). Другие функциональные узлы могут быть выполнены на широко известных разработчикам микросхемах. При необходимости, в устройство могут быть дополнительно введены: между делителем 4 мощности и передающей антенной 3 - усилитель мощности, между приемной антенной 12 и балансным смесителем 13 - малошумящий усилитель. В том случае, когда диапазон перестройки составляет менее одной октавы, на входе передающей антенны 3 может быть дополнительно введен фильтр нижних частот с целью фильтрации гармоник выходного сигнала передающего блока 1.According to the proposed scheme, a radar mockup operating in the microwave frequency range was manufactured and tested. The tuning range was 4 GHz. The output signal of the transmitter 1 has the form of radio pulses with sinusoidal filling and a discretely variable frequency. If we apply the inverse Fourier transform to the entire set of frequencies, then a 4-GHz spectrum would correspond to a radio pulse with a duration of about 500 picoseconds (Baskakov S.V. Radio engineering circuits and signals. - M., Radio and communication, 1986). To build a voltage-controlled generator, well-known VCO chips can be used, which provide tuning in a wider frequency range, for example, the HMC587LC4B chip with a tuning range of up to 6 GHz. The achievable tuning range can be expanded by applying, for example, two VCOs - one for the lower part of the required frequency range and the other for its higher part. For example, the use of two microcircuits: HMC586LC4B and HMC588LC4B - will provide tuning in the range from 4.5 to 12.5 GHz. The auxiliary frequency generating unit 21 and the control module 19 can be performed, for example, on Altera microcircuits. The phase detector 17 can be performed, for example, on a high-precision microcircuit of an analog multiplier AD835 (Analog Devices). Other functional units can be performed on widely known chip designers. If necessary, the device can be additionally introduced: between the power divider 4 and the transmitting antenna 3 - power amplifier, between the receiving antenna 12 and the balanced mixer 13 - low-noise amplifier. In the case when the tuning range is less than one octave, a low-pass filter can be additionally introduced at the input of the transmitting antenna 3 in order to filter the harmonics of the output signal of the transmitting unit 1.

Claims

1. Short-range ultra-high-resolution radar, comprising a generator, a balanced mixer, a transmitting and receiving antenna, a reference frequency generator, a second balanced mixer, a low-pass filter, an intermediate-frequency amplifier and a phase detector, characterized in that a frequency synthesizer and an amplifier are inserted into it DC, power divider, microwave (microwave) amplifier, directional coupler, frequency divider, band-pass filter, auxiliary frequency generating unit, analog-to-digital converter a generator, a control module, and a clock generator, wherein the generator is controlled voltage, and its output is connected to the transmitting antenna through a power divider, between the second output of which and the control input of the voltage controlled generator, series-connected microwave amplifier, directional coupler, frequency divider are connected, frequency synthesizer, low-pass filter and DC amplifier, the reference frequency generator is connected to the inputs of the reference signal of the frequency synthesizer and the auxiliary unit frequency, the receiving antenna is connected to the input of the balanced mixer, the output of which is connected to the input of the second balanced mixer, connected through the bandpass filter to the input of the intermediate frequency amplifier, to the output of which the first input of the phase detector is connected, the output of the phase detector through the analog-to-digital converter is connected to the input control module, to the second input of which a clock generator is connected, the first output of the control module is connected to the control input of the frequency synthesizer and is designed to generate control commands for frequency tuning, the second output of the control module is connected to the control input of the auxiliary frequency generating unit and is designed to generate at its output the sine and cosine components of the signal with a frequency equal to a quarter of the reference frequency and a phase shift of 90 °, the third output of the control module connected to the control input of the analog-to-digital converter and is designed to control the sampling of the signal in the analog-to-digital converter, which is performed immediately before the moment the next command to adjust the frequency, the fourth output of the control module is designed to transmit the signal from the output of the phase detector, subjected to analog-to-digital conversion, to the output of the short-range radar, the first output of the auxiliary frequency generating unit is connected to the second input of the phase detector, the second and third outputs of the block auxiliary frequency generation are connected respectively to the second and third inputs of the balanced mixer, the second input of the second balanced mixer is connected En with directional coupler output.

2. Short-range ultra-high-resolution radar, comprising a generator, a balanced mixer, a transmitting and receiving antenna, a reference frequency generator, a second balanced mixer, a low-pass filter, an intermediate frequency amplifier, and a phase detector, characterized in that a frequency synthesizer and an amplifier are inserted into it DC, power divider, microwave (microwave) amplifier, directional coupler, frequency divider, band-pass filter, auxiliary frequency generating unit, second phase detector, two an analog-to-digital converter, a control module and a clock generator, wherein the generator is controlled by voltage, and its output is connected to the transmitting antenna through a power divider, between the second output of which and the control input of the voltage-controlled generator, series-connected microwave amplifier, directional coupler, frequency divider, frequency synthesizer, low-pass filter and DC amplifier, the reference frequency generator is connected to the inputs of the reference signal of the frequency synthesizer and the unit and the auxiliary frequency is formed, the receiving antenna is connected to the input of the balanced mixer, the output of which is connected to the input of the second balanced mixer connected through the bandpass filter to the input of the intermediate frequency amplifier, the first inputs of the phase detectors, the outputs of the first and second phase detectors, respectively, through the first and the second analog-to-digital converters are connected to the first and third inputs of the control module, to the second input of which a clock generator is connected, the first One control module is connected to the control input of the frequency synthesizer and is designed to generate a control command for frequency tuning, the second output of the control module is connected to the control input of the auxiliary frequency generating unit and is designed to generate the sine and cosine components of the signal at its output with a frequency equal to a quarter of the reference frequency , and a phase shift of 90 °, the third outputs of the control module are connected to the control inputs of the first and second analog-to-digital converters and are intended To control the sampling of a signal in analog-to-digital converters, which is carried out immediately before the next command for frequency tuning is received, the fourth output of the control module is designed to transmit signals from the outputs of phase detectors subjected to analog-to-digital conversion to the output of a short-range radar, the first and fourth the outputs of the auxiliary frequency generating unit are connected to the second inputs of the first and second phase detectors, respectively, the second and third outputs The auxiliary frequency generating unit is connected respectively to the second and third inputs of the balanced mixer, the second input of the second balanced mixer is connected to the output of the directional coupler.