5.3. Системы слежения за временным положением импульсного сигнала

Системы слежения за временным положением импульсов применяются для выделения импульсного периодического сигнала на фоне помех в приемниках радиотехнических истем передачи информации,

радиолокационных приемниках и других устройствах.

Такие системы называют временными автоселекторами. На рис. 2.13 показана часть упрощенной функциональной схемы радиолокационного приемника импульсных некогерентных сигналов с временным автоселектором (автоселектор выделен пунктиром).

Рис.5.13

Приемник содержит ряд типовых элементов: смеситель (СМ), гетеродин (Г), усилитель промежуточной частоты (УПЧ) амплитудный детектор (АД), видеоусилитель (ВУ). Напряжение с выхода видеоусилителя снимается для последующей обработки, например для выделения информации об угловом положении цели.

Для уменьшения действия помех приемное устройство периодически открывается (стробируется) лишь на короткие интервалы времени действия стробирующих импульсов. Они формируются генератором импульсов (ГИ), входящим в состав временного автоселектора.

При стробировании возникают нежелательные переходные процессы, длительность которых обратно пропорциональна полосе пропускания элементов приемника, в которых проводится стробирование. Поэтому оно выполняется обычно в широкополосных элементах приемника: входных цепях или, как показано на рис. 5.13, в УПЧ.

Автоселектор обеспечивает такое совмещение во времени импульсов сигнала и стробирующих импульсов. Для этого, кроме стробирующего импульса, открывающего приемник, генератор импульсов формирует еще два следящих импульса. Обычно это следующие друг за другом прямоугольные импульсы. В этом случае их общий фронт проходит через середину стробирующего импульса (рис. 5.14, на котором цифрами 1 и 2 обозначены первый и второй следящие импульсы, цифрами 3 и 4 - импульс сигнала и импульс, стробирующий УПЧ).

Следящие импульсы подаются на временной дискриминатор (ВД) вместе с импульсоми сигнала с выхода видеоусилителя.

На выходе ВД формируется напряжение, зависящее от рассогласования  между временным положением импульса сигнала и следящих импульсов (рис. 5.14). Так как стробирующий и следящие импульсы жестко связаны между собой, величина  равна также сдвигу между импульсом сигнала и стробирующим импульсом.

Выходное напряжение ВД сглаживается ФНЧ и поступает в качестве управляющего на устройство регулируемой задержки (УРЗ). В э том устройстве опорный импульс U_оп, поступающий от передатчика радиолокационной станции, задерживается на некоторой временной интервал и запускает генератор импульсов, задавая тем самым положение стробирующих и следящих импульсов.

Рис. 5.14

Управляющее напряжение, снимаемое с выхода ФНЧ, изменяет величину задержки так, что временной сдвиг между сигнальными и следящими импульсами уменьшается. При изменении временного положения импульсов сигнала, например, из-за изменения дальности до цели, происходит соответствующее перемещение следящих импульсов, и осуществляется автоматическое сопровождение цели по дальности.

Рассмотрим подробнее работу временного дискриминатора. Один из возможных вариантов ВД показан на рис. 5.15 Принцип его работы поясняется изображенным на рис. 5.16 эпюрами напряжений, номера которых соответствуют контрольным точкам в схеме дискриминатора. В состав ВД входят два каскада совпадения КС1 и КС2. На их входы поступают импульсы сигнала U_с (эпюра 1) и, соответственно, первый и второй следящие импульсы U_{сл1, сл2} (эпюры 2, 3). На выход каждого каскада совпадений проходит часть импульса сигнала, совпадающая по времени с соответствующим следящим импульсом (эпюры 5, 6).

Выходные напряжения каскадов совпадений детектируются детекторами Д1 и Д2. Постоянные времени зарядной и разрядной цепей детекторов могут быть выбраны так, чтобы во время действия следящих импульсов происходило интегрирование напряжения, прошедшего через каскады совпадений, а в паузе между следящими импульсами – его запоминание (эпюры 7 и 8). Перед приходом очередной пары следящих импульсов накопленные напряжения сбрасываются до нуля специальным импульсом ( эпюра 4).

Выходные напряжения детекторов вычитаются и образуют выходное напряжение дискриминатора (эпюра 9).

При наличии временного сдвига  импульсы сигнала делятся следящими импульсами на две неравные части. При этом выходные напряжения детекторов Д1 и Д2 получаются разными, и на выходе дискриминатора появляется напряжение, зависящее от величины сдвига .

Рис. 5.15

Построим структурную схему временного автоселектора, отображающую процесс слежения за временным положением импульсного сигнала. В связи с импульсным характером сигнала информация о рассогласовании сигнальных и следящих импульсов может быть получена в автоселекторе лишь в дискретные моменты времени, отстоящие на период повторения. Поэтому, строго говоря, временной автоселектор является системой прерывистого регулирования. Обычно частота повторения импульсов много больше полосы пропускания автоселектора, поэтому его можно рассматривать как непрерывную систему регулирования.

С этих позиций преобразования, происходящие в автоселекторе, описываются следующими соотношениями.

Рис. 5.16

Временной сдвиг  между положением сигнальных _с и следящих _сл импульсов равен

=_с-_сл , (5.20)

причем под положением следящих импульсов понимается положение их общего фронта. За начало отсчета величин _с, _сл примем положение опорного импульса U_оп. При высокой частоте повторения импульсов пульсации выходного напряжения ВД, обусловленные импульсным характером сигнала, эффективно подавляются ФНЧ. В этом случае при анализе автоселектора достаточно рассматривать выходное напряжение дискриминатора, усредненное за период повторения импульсов. Оно записывается в виде

U_д(t)=M[U_д(t)]+(t, )= F() + (t, ), (5.21)

где M[U_д(t)]= F() - математическое ожидание и (t, ) - флюктуационная составляющая выходного напряжения ВД, усредненного за период повторения импульсов.

Форма дискриминационной характеристики F() и параметры напряжения (t, ) зависят от соотношения сигнал/шум в полосе УПЧ, ширины полосы пропускания УПЧ, длительности следящих импульсов, наличия амплитудных флюктуаций сигнала.

В состав фильтра в автоселекторе обычно включают один или два интегратора. Преобразование выходного напряжения дискриминатора определяется операторным коэффициентом передачи ФНЧ K_ф(р). Напряжение U_ф(t) на выходе фильтра при этом равно

U_ф(t)=K_ф(p)U_д(t), p=d/dt. (5.22)

Обычно зависимость величины задержки в устройстве регулируемой задержки от управляющего напряжения является безынерционной. Если она, кроме того, линейна, то выполняется соотношение

_сл = _{сл 0} + S_регU_ф, (5.23)

где S_рег - крутизна регулировочной характеристики, _{сл 0} - значение задержки при отсутствии управляющего напряжения.

Величина _{сл 0} может быть нестабильной, что необходимо учитывать при анализе автоселектора.

Соотношениям (5.20) - (5.23) соответствует структурная схема временного автоселектора, изображенная на рис. 5.17.

Рассматриваемый временной автоселектор позволяет получить на выходе ФНЧ напряжение, пропорциональное расстоянию до объекта, т.е. выполняет одновременно функции дальномера.

Рис. 5.17

Покажем это, представив величину _с, определяющую положение импульса сигнала, в виде

_с = ₀ + _r, (5.24)

где ₀ - временной интервал между опорным импульсом и зондирующим импульсом передатчика;

_r=2r/c - время запаздывания отраженного импульса по отношению к зондирующему;

r - расстояние до объекта;

с - скорость распространения электромагнитных волн.

Если в режиме слежения импульсы сигнала точно совмещены со следящими, то _с = _сл и, как следует из (5.23) и (5.24), справедливы равенства

_{0 +} _r= _{сл 0} + S_рег, , Uф=(_r+₀ - _{сл 0})/ S_рег..

Выбрав величину ₀ равной  _{сл 0}, получим U_ф=2r/(S_рег0 c). Следовательно, напряжение U_ф пропорционально расстоянию до объекта.

Системы слежения за временным положением применя- ются и при использовании других, более сложных сигналов,

например импульсного когерентного, фазоманипулированного и др.