9.3. Методы измерения угловых координат

Для измерения угловых координат в радиолокации и радио­навигации используется радиопеленгование, т. е. определе­ние направления на источник принимаемого радиосигнала. Зависимость напряжения принимаемого радиосигнала от направления прихода радиоволн, заданного углами α и β в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно представить выражением

(9.10)

где τ_D — время задержки сигнала, пропорциональное рас­стоянию от источника сигнала до приемной антенны; f(t- τ_D) — частота сигнала; φ(t- τ_D) — фаза колебаний ра­диосигнала; G(α), G(β) — функции, описывающие ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Таким образом, для определения направления прихода радиоволн можно непосредственно использовать зависи­мость амплитуды принимаемого сигнала от отклонения оси ДНА от направления на источник радиосигнала, выражаемую функциями G(α) и G(β).

Такой метод пеленгования называется амплитудным. При приеме сигнала на две или несколько разнесенных в пространстве антенн фазовый сдвиг сигналов, возбуждае­мых в антеннах, зависит от направления прихода радио­волн. Метод определения направления измерением фазовых сдвигов сигналов в антеннах называют фазовым. Приме­няются также комбинированные амплитудно-фазовые мето­ды пеленгования.

При частотной модуляции сигнала возможно исполь­зование и частотного метода определения направления, который иногда применяется совместно с амплитудным для повышения точности и разрешающей способности РЛС по угловым координатам. Рассмотрим кратко методы пеленгования, для упро­щения предполагая, что источник сигнала и антенна приемника находятся в одной (горизонтальной) плоскости. Фазовые методы основаны на измерении разности фаз колебаний, принимаемых двумя антеннами, разнесен­ными в пространстве (радиопеленгатор). Прием может осуществляться и на одну антенну, но тогда сигнал должен излучаться разнесенными антеннами (фазовый радиомаяк). Проанализируем пеленгование объекта фазовым мето­дом для двух ненаправленных приемных антенн А₁ и А₂, (рис. 9.7). Пусть расстояние между антеннами, называемое базой, равно d, а пеленгуемый объект удален от центра базы на расстояние D»d. В этом случае направления прихода сигналов от объекта к антеннам А₁ и А₂ можно считать параллельными. При этом разность расстояний ∆D = D₂ - D₁ = d sinα., где α— угол между направлением на объект и нормалью к базе, проходящей через ее середину. Зная базу и измеряя тем или иным способом разность расстояний ∆D можно найти направление на пеленгуемый объект. При фазовом методе измеряется разность фаз φ ко­лебаний, возбуждаемых в антеннах A₁ и А₂. Если длина волны принимаемых колебаний равна λ_и, то φ= 2π d sin α /λ_и (9.11)

При применении в качестве фазочувствительного элемента фазового детектора напряжение на его выходе

U_ФД = К_фДU_Mcos φ = К_фДU_Mcos(2π d sin α /λ_и) (9.12)

где U_m — амплитуда сигнала на входе детектора.

Для исключения влияния неизвестной амплитуды вводят эффективную АРУ или ограничение сигнала благодаря чему напряжение на входе детектора можно считать постоянным.

Так как косинус - функция четная, то знак напряжения на выходе фазового детектора не зависит от знака отклонения оси антенны от направления на объект. Для устранения этого недостатка в один из приемных каналов вводят цепь сдвига фазы на π/2, вследствие чего зави­симость U_ФД приобретает вид дискриминационной характеристики:

U_ФД = К_фДU_Mcos φ = К_фДU_Msin(2π d sin α /λ_и) (9.13)

При малых значениях α зависимость имеет приближенно линейный характер:U_ФД = U₀ 2π d α /λ_и (9.14)

Таким образом, по напряжению на выходе фазового детектора можно найти значение и знак угла рассогла­сования.

Зависимость нормированного напряжения рассогласо­вания от угла рассогласования называется пеленгационной характеристикой угломера:

F(α) = U_ФД /U₀ = 2π d α /λ_и (9.15)

Ее производную при α = 0 называют крутизной пеленгационной характеристики или чувствительностью пеленго­вания 2π d /λ_и (9.16)

Таким образом, чувствительность, а следователь­но, и точность пеленгования растут с увеличением от­ношения d /λ_и.. Однако при d /λ_и >1/2 появляется не­однозначность измерения угла, что следует из выражения (9.3). Для исключения неоднозначности применяют (так же как в фазовых дальномерных системах) нескольких шкал, т. е. проводят измерения при различных отношениях Необходимо подчеркнуть, что рассмотренный фазовый угломер с ненаправленными антеннами не обладает раз­решающей способностью по углу, поскольку два или несколько источников сигнала, расположенных на различ­ных направлениях, создадут в антеннах единый результи­рующий сигнал (если они неразделимы по другим пара­метрам), что исключает возможность их раздельного наблюдения и измерения пеленгов. Для разрешения сиг­налов по углу необходимы антенны с достаточно узкой амплитудной характеристикой направленности. Для измерения азимута α и угла места β фазовый радиопеленгатор должен иметь две пары антенн с взаимно перпендикулярными базами, расположенными в горизон­тальной плоскости. Если база первой пары совпадает с направлением север-юг, а второй - восток-запад, то угол α будет истин­ным азимутом. В радиолокации кроме точности пеленгования большое значение имеет и угловая разрешающая способность, определяемая шириной ДНА α_0.7 см. рис. 9.7.б. по методу максимума или крутизной двух ДНА при равносигнальном методе см. рис. 9.7.в. Момент пеленга соответствует минимальной амплиту­де сигнала (в данном случае равной нулю), поэтому такой способ пеленгования называется методом минимума. Метод максимума применяется преимущественно в об­зорных РЛС, диаграмма направленности которых при сканировании проходит направление на объект. Если объект имеет малую протяженность по сравнению с шири­ной диаграммы (малоразмерная или точечная цель), а от­раженный или переизлученный сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала на входе приемника РЛС изменяется в соответствии с формой ДНА G(α) (рис. 9.7). Анализ огибающей принимаемого сигнала дает возможность за­фиксировать максимум амплитуды сигнала и определить соответствующее ему направление на объект. Поэтому метод максимума часто называют методом анализа оги­бающей. Комбинированные методы пеленгования. Из возможных комбинированных методов пеленгования наиболее часто используют амплитудно-фазовый, например в радиопелен­гаторах, системах ближней навигации и моноимпульсных РЛС. В системах ближней навигации применяют маяки с быстро вращающейся ДНА. Если ДНА маяка имеет форму кардиоиды и вращается с угловой скоростью Ω, то создаваемый радиомаяком сигнал на входе приемоиндикатора на объекте будет промодулирован по амплитуде. Напряжение огибающей изменяется с частотой моду­ляции Ω и имеет фазу φ, жестко связанную с азимутом объекта. Требуемый сигнал создается антенной системой, состоящей из трех антенн: центральной ненаправленной А₁ и ортогональных А₂ и А₃, имеющих ДНА в виде восьмерок, сдвинутых на π/2, см. Рис. 9.7. в.