
Литература / Nezlin
.pdf
·с частотной модуляцией или с фазовой манипуляцией.
2.5.1. Радиолокаторы с немодулированной несущей частотой
Начнем рассмотрение с простейшей РЛС НИ (рис.2.20), которую можно использовать для обнаружения объектов на небольших расстояниях.
|
f0 |
|
|
|
|
|
|
f0 |
|||
Передатчик |
Циркулятор |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
f0 + f |
д |
||
|
|
|
|
f0 + f |
|
||||||
|
|
|
|
д |
f0
Смеситель
f д
Усилитель
ФВЧ
Рис.2.20. Блок-схема простейшей РЛС с непрерывным излучением
Передатчик генерирует гармонический сигнал на частоте f0 . Принятый сигнал от движущейся цели имеет частоту f0 + f д , где f д = 2VlR . Напряжение сигнала цели после смесителя имеет частоту f д , так как в данной
схеме в качестве гетеродинирующего напряжения используется часть излучаемого сигнала. Доплеровское смещение частоты чаще всего лежит в диапазоне от нескольких десятков герц до 100 килогерц. Например, при скорости движения объекта 600 м/с и длине волны 10 см
f д = 2 ×0,1600 =12 кГц.
Частотную характеристику усилителя доплеровских частот желательно согласовать со спектром отраженного сигнала. Если длительность отраженного сигнала ограничена величиной T0 (вследствие
вращения антенны или вследствие заданного времени обнаружения объекта), то в качестве квазиоптимального можно использовать полосовой фильтр с полосой пропускания
Df » 1 .
T0
Часто диапазон доплеровских частот
DF д >> f .
В этом случае оптимальное решение заключается в применении гребенки из m фильтров с полосой пропускания каждого фильтра, равной Df . Гребенка должна перекрывать диапазон частот DFд , поэтому
m = DDFf д .
Сигнал с каждого фильтра гребенки детектируется и сравнивается с порогом. Номер фильтра i, на выходе которого обнаружен сигнал, дает приближенную оценку доплеровского смещения частоты
f дi » f дmin + (i -1)Df .
Если требуется обнаруживать и сопровождать один объект, то иногда в усилителе используют следящий фильтр с полосой пропускания Df .
Следящий фильтр строится на базе устройства частотной или фазовой автоподстройки частоты генератора, управляемого напряжением (ГУН). На рис.2.21 представлена схема следящего фильтра с частотной автоподстройкой. В этой схеме частота настройки фильтра F постоянна и совпадает с нулем характеристики частотного дискриминатора. Сигнал с выхода усилителя преобразуется в балансном
модуляторе на частоту f д + fg . Если f д + fg ¹ F , напряжение на выходе дискриминатора Uд ¹ 0 , что приводит к перестройке частоты ГУНа вплоть до выполнения равенства
f д + fg = F .
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

При этом полезный сигнал без потерь проходит через полосовой фильтр. Измерив частоту fg , можно определить доплеровское смещение по формуле
|
|
|
f д = F − fg . |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
f д |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усилитель |
|
|
|
|
||
|
|
fg |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Балансный |
|
|
|
||||
ГУН |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
модулятор |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fg + f д |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Полосовой |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
фильтр F |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Частотный |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
дискриминатор |
|
|
Рис.2.21. Схема устройства со следящим фильтром
Отличительная особенность простейших РЛС НИ (см. рис.2.20 и 2.21) состоит в том, что тракт приемника начинается с усилителя низкой частоты. Такое приемное устройство имеет весьма низкую чувствительность. Причиной этого является возрастание спектральной плотности шума (коэффициента шума) смесителя и усилительных каскадов на низких частотах. Изучение шумовых свойств различных электронных приборов показывает, что в области частот, меньших 1 МГц, кроме теплового и дробового шумов, присутствует составляющая шума (фликкер-шум), спектральная плотность которой обратно пропорциональна частоте.
Помимо низкочастотного шума, чувствительность приемника может ухудшаться из-за наличия виброшума в радиолокаторах, расположенных на подвижных объектах. С пониженной чувствительностью приемника мирятся в тех случаях, когда не требуется большая дальность обнаружения объекта, а важнейшим параметром радиолокатора являются его габаритно-весовые характеристики. Если жертвовать чувствительностью приемника нельзя, схему усложняют, переходя к усилению сигнала на промежуточной частоте fпр (рис.2.22).
В этом случае промежуточная частота fпр выбирается в диапазоне от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц, что позволяет обеспечить обычное для радиолокационных приемников
значение |
коэффициента |
шума. |
|
|
|
|
|
Частотная |
|
|
|
|
|
избирательность |
обеспечивается |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f0 + f д |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Передатчик |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МШУ |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
г |
|
|
|
|
|
|
f0 |
f0 |
− f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Гетеродин |
|
|
Смеситель |
г |
|
|
Смеситель |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f г + f |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усилитель |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гребенчатый фильтр |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. . . |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f д1 |
|
|
|
f д2 |
f дm |
|
Рис.2.22. Упрощенная блок-схема современной РЛС НИ
рассмотренными выше мерами в усилителе промежуточной частоты и в последующем гребенчатом фильтре. Частота сигнала на i-м выходе гребенчатого фильтра равна f г + f дi . На выходе гребенчатого
фильтра (см. рис.2.22) постоянная частотная подставка fг опущена.
Наиболее существенный недостаток РЛС НИ заключается в присутствии на входе приемника проникающего сигнала, который представляет собой небольшую часть зондирующего сигнала. В
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

импульсной РЛС подобное явление также имеет место, но оно не приводит, как правило, к неприятным последствиям в связи с тем, что импульс передатчика и импульсы отраженных сигналов не совпадают во времени.
Проникающий сигнал в РЛС НИ обычно на несколько порядков превышает сигнал цели. Для характеристики величины проникающего сигнала вводят понятие развязки ν между передатчиком и
приемником. Развязка определяется как отношение мощностей зондирующего Pп и проникающего Pпр сигналов:
|
|
|
|
ν = |
Pп |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||
S( f ) |
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
пр |
|
||
|
|
При |
использовании одной антенны для излучения и приема |
||||
|
|
сигналов |
величина ν , |
как правило, не превышает 30 дБ. При |
|||
|
|
использовании раздельных передающей и приемной антенн развязка |
|||||
|
|
определяется уровнем боковых лепестков антенн, расстоянием между |
|||||
|
|
антеннами, а также естественными или специально установленными |
|||||
|
|
экранами. |
Величина |
развязки может |
уменьшаться из-за |
||
|
|
переотражения зондирующего сигнала местными предметами, |
|||||
|
|
находящимися вблизи РЛС. По данным М. Сколника [2], при |
|||||
f0 |
f |
использовании раздельных антенн реализуются развязки выше 80 дБ. |
|||||
Рис.2.23. Спектральная плотность |
|
От основной части проникающего сигнала в приемном устройстве |
|||||
|
нетрудно избавиться способами частотной селекции. Однако ситуация |
||||||
шума передатчика |
|
осложняется тем, что зондирующий сигнал не полностью |
|||||
|
|
монохроматичен. Амплитуда и фаза сигнала флуктуируют вследствие |
|||||
|
|
наличия шумов электронных приборов, используемых в передатчике. |
Амплитудные и фазовые флуктуации, называемые соответственно амплитудным и фазовым шумом, вызывают расширение спектра зондирующего сигнала (рис.2.23).
Спектральные составляющие шума передатчика, отстоящие на fд от несущей частоты, попадают в
диапазон доплеровских частот и могут создавать дополнительную (к собственному шуму приемника) помеху. То же относится к фазовому шуму первого гетеродина приемника.
В [10] описаны метод и устройство уменьшения проникающего сигнала в радиолокаторах с немодулированной несущей. Метод сводится к подаче небольшой части мощности передатчика в приемник (с помощью кабеля или отдельной антенны). Поступившее в приемник напряжение вычитается из проникающего сигнала. Амплитуда и фаза поступившего напряжения регулируются таким образом, чтобы минимизировать получившуюся разность и тем самым скомпенсировать проникающий сигнал или его значительную часть.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.5.2. РЛС НИ с линейной частотной модуляцией
Радиолокаторы с непрерывным излучением и модулированной несущей применяют в случаях, когда необходимо измерять дальности целей и разрешать цели по дальности. При этом весьма часто используют периодическую линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) треугольной или пилообразной формы (рис.2.24). В некоторых случаях применяют фазовую манипуляцию (ФМ).
f |
F |
Tm |
t |
a |
f |
Tm |
t |
б |
Рис.2.24. Треугольная (а) и пилообразная (б) формы частотной модуляции
Серьезным преимуществом ЛЧМ перед ФМ в данной задаче является отсутствие необходимости в доплеровской коррекции. Это связано с гребневидной формой функции неопределенности ЛЧМ. Поэтому ограничимся рассмотрением РЛС с ЛЧМ зондирующим сигналом.
При использовании частотно-модулированной несущей возможны и целесообразны два вида оптимальной обработки отраженного сигнала: согласованная фильтрация или спектральный анализ. В первом случае на выходе согласованного фильтра в конце каждого периода модуляции формируется сжатый импульс. По задержке импульса
tз = |
2R |
(2.28) |
|
c |
|||
|
|
можно определить дальность цели.
Рассмотрим вторую возможность на примере использования ЛЧМ треугольной формы [11]. Для этого обратимся к рис.2.25 и 2.26. На рис.2.25 представлена упрощенная блок-схема радиолокатора. Передатчик излучает сигнал с текущей частотой fn. Вначале рассмотрим прием сигнала, отразившегося от неподвижной цели (fд = 0). Отраженный от цели сигнал в этом случае имеет такой же закон изменения частоты, как и зондирующий, задержанный на величину tз:
f отр (t) = f п (t − tз) .
Передатчик |
|
|
|
|
|
|
|
|
Цель |
|
Приемник
СМ
f п − f отр
Анализатор спектра Выход
Рис.2.25. Упрощенная блок-схема РЛС НИ с частотной модуляцией: СМ - смеситель
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

f |
|
Tm |
|
f п |
f пр |
F |
|
|
|
||
|
f отр |
|
|
tз |
|
|
t |
|
a |
|
|
|
|
|
|
fпр |
|
|
|
|
|
б |
t |
|
|
|
|
Рис.2.26. Временные диаграммы при fд = 0: а - частота передатчика (сплошная кривая) и частота |
|||
отраженного |
|
сигнала |
(штриховая |
кривая); б - частота преобразованного сигнала |
|
||
Преобразованный сигнал на выходе смесителя с частотой |
|
f пр (t) = f п (t) − f отр (t)
поступает на анализатор спектра, на выходе которого формируется оценка дальности цели R. Временные зависимости частот fn, f отр и f пр представлены на рис.2.26. На временной диаграмме преобразованного
сигнала (рис.2.26,б) знаками "+" и "–" отмечены соседние половинки периода модуляции. Это сделано для того, чтобы подчеркнуть противоположные изменения фазы на этих интервалах времени. Знак "+" соответствует нарастанию фазового сдвига, знак "–" соответствует уменьшению фазового сдвига. Заметим, что фазовый сдвиг на некотором интервале времени равен интегралу от частоты сигнала. Площади трапеций, отмеченных знаками "+" и "–" на рис.2.26, одинаковы. Следовательно, фазовые сдвиги на этих участках одинаковы по абсолютной величине.
Поскольку набеги фаз имеют противоположные знаки, фазы преобразованного сигнала в начале и конце периода Tm одинаковы. Такой сигнал является периодическим с когерентностью второго рода. Следовательно, спектр этого сигнала дискретный. Спектральные составляющие располагаются на частотах,
кратных Fm = T1 .
m
На большей части периода модуляции Tm (при соответствующем выборе этого параметра) частота f пр сохраняет постоянное значение
f пр = |
F |
tз , |
(2.29) |
|
|||
|
T |
|
где T = T2m . Объединив формулы (2.28) и (2.29), получим выражение для дальности цели
R = f |
|
cT |
. |
(2.30) |
|
|
|||
|
пр 2 F |
|
Следовательно, для определения дальности цели достаточно измерить частоту f пр преобразованного
сигнала.
Для оценки величины f пр рассчитаем спектр преобразованного сигнала. При этом несколько упростим задачу, положив, что f пр всюду выражается формулой (2.29).
При fд = 0 спектры периодических импульсных последовательностей, отмеченных знаками "+" и "–",
одинаковы. Рассчитаем спектр первой из этих последовательностей. Форма огибающей спектра совпадает со спектром одного импульса
|
|
sin( |
ω − ωпр |
T ) |
|
|
|||
S1 |
(ω) = UT |
|
2 |
|
, |
(2.31) |
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
ω − ωпр |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

где U - амплитуда импульса; |
ωпр = 2π f пр . Поскольку составляющие спектра находятся на частотах iωm , |
||||||||||||||||||
где ωm = 2πFm , |
для получения спектра импульсной последовательности нужно в (2.31) |
|
сделать замену |
||||||||||||||||
ω = iωm . Тогда выражение искомого спектра будет иметь вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
S (iω |
|
|
sin((ωпр − iωm ) T ) |
|
|
(2.32) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
m |
) =UT |
|
|
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
(ωпр − iωm ) T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
ωпр |
- целое |
число, то |
максимум |
спектра |
имеет |
место при |
i = |
ωпр |
и |
его |
величина равна |
|||||||
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
m |
|
|
|
|
Smax = UT . |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Амплитуды |
соседних |
(по |
отношению |
к |
максимальной) |
составляющих |
определяются |
||||||||||||
подстановкой в (2.32) значения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i = |
ωпр ±1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, S(ωпр ± ωm ) = |
2UT = 2 Smax . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
π |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωпр ± 2 , равны |
|
Амплитуды |
следующей |
пары |
спектральных |
составляющих, имеющих |
номера |
i = |
|||||||||||||
нулю. Полученные результаты иллюстрируются на рис.2.27,а. |
|
|
|
|
|
|
ωm |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Smax |
|
2 |
Smax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
ωпр |
ω |
|
|
ωпр |
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
пр |
|
пр |
|
ωm + 2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ωm −1 |
ωm |
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωпр |
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2.27. Спектр преобразованного сигнала: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
ωпр - целое число (а); ωпр |
- нецелое число (б) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
ωm |
|
|
|
ωm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, основной лепесток спектра преобразованного сигнала содержит небольшое число (в данном примере три) спектральных составляющих. Среди них нетрудно выделить максимальную, частота
которой iωm = ωпр или ifm = f пр .
Более типичная ситуация имеет место, когда ωпр не является целым числом. В этих случаях номер ωm
наибольшей составляющей спектра определяется соотношением
i − ωпр ≤ 0,5 .
ωm
Данная ситуация иллюстрируется на рис.2.27,б.
Отметим характерную особенность рассматриваемого спектра: при изменении дальности цели величина ωпр изменяется непрерывно. Вместе с ωпр изменяет свое положение огибающая спектра. При
этом положения спектральных составляющих не изменяются, но изменяются их амплитуды. Частота f пр , характеризующая дальность цели, измеряется с ошибкой δ f пр , которая не превышает 0,5Fm .
Используя (2.32), найдем максимальную ошибку измерения дальности цели
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

|
|
|
δR |
= |
|
cT |
δ f |
|
= |
c . |
|
|
|
(2.33) |
||
|
|
|
max |
|
2 F |
|
пр max |
|
8 |
F |
|
|
|
|
|
|
Оценим разрешающую способность по дальности. При сближении двух целей их сигналы еще |
||||||||||||||||
воспринимаются раздельно, если максимумы их спектров разнесены на величину Df ³ 2 fm . Действительно, |
||||||||||||||||
если Df = fm , |
невозможно определить, принадлежит сигнал с таким спектром одной цели или двум целям. |
|||||||||||||||
Подставив в |
(2.33) |
вместо |
|
d f пр |
требуемую |
разность |
|
частот для |
двух целей ( Df = 2 fm ), получим |
|||||||
разрешающую способность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R = c |
2 fm |
T |
= |
c |
. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
F |
|
2 F |
|
|
Рассмотрим теперь общий случай обработки сигнала, отраженного движущейся целью. При f д ¹ 0 частоты |
||||||||||||||||
преобразованных сигналов на интервалах, отмеченных знаками "+" и "–", будут различны. Рассматривая рис.2.28, |
||||||||||||||||
замечаем, |
что |
в первом |
случае |
f пр1 = f пр − f д , а |
во |
втором - |
f пр2 = f пр + f д , где fпр - частота |
|||||||||
преобразованного сигнала при |
f д = 0 . Как следствие, |
составляющие спектра на интервалах "+" смещаются |
||||||||||||||
влево на |
fд , |
а на интервалах "–" - на такую же величину вправо. Частоту fпр, необходимую для измерения |
||||||||||||||
дальности цели, можно рассчитать по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f пр = f пр1 + f пр2 . |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f п |
f |
отр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fпр2 |
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fпр1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2.28. Временные зависимости частот: а - частоты передатчика (сплошная кривая) и отраженного сигнала |
||||||||||||||||
(штриховая |
б - частота преобразованного сигнала |
|
|
|
кривая); |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Если требуется измерять скорость цели, то значение f д рассчитывается по формуле
f д = f пр2 − f пр1 .
2
Для того чтобы располагать значениями f пр1 и f пр2 , нужно иметь двухканальное устройство для
раздельной обработки преобразованных сигналов, отмеченных знаками "+" и "–". Реализация такого устройства не вызывает затруднений.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.6. Следящие измерители координат цели
Устройства сопровождения цели по угловым координатам, дальности и скорости предназначены для измерения координат, устранения помеховых отражений от нежелательных объектов и частичного уменьшения шума приемника. Такие устройства обычно выполняются в виде следящих систем с астатизмом первого, второго или третьего порядка. Координаты объекта связаны с параметрами отраженного сигнала, дальность цели - с временной задержкой сигнала, скорость - с доплеровским смещением частоты, угловые координаты - с положением фазового фронта сигнала. Поэтому будем использовать как синонимы термины "следящий измеритель координат цели" и "следящий измеритель параметров сигнала".
Следящие измерители могут быть выполнены в виде аналоговых или цифровых устройств. В современной аппаратуре значительно чаще используются цифровые устройства. Поэтому ограничимся рассмотрением устройств этого типа.
2.6.1. Структура следящих измерителей
На входе следящего измерителя присутствует сигнал, являющийся функцией времени и значения измеряемого параметра, который обозначим в общем виде буквой α0 :
U c (t,a0 ) .
В измерителе формируется опорный объект (опорное напряжение или число), сходный с сигналом и содержащий оценку параметра, которую обозначим α. Следящий измеритель состоит из двух блоков: дискриминатора и управляющего устройства (рис.2.29). В дискриминаторе оценка α сравнивается со
значением параметра α0 и величина, пропорциональная их разности (рассогласованию)
U д = K д × Da = K д (a0 - a) ,
поступает на вход управляющего устройства. В этом устройстве под действием рассогласования формируется коррекция оценки α, которая продолжается до тех пор, пока (в идеале) оценка не сравняется с истинным значением параметра α0 .
Uс (t,α0 ) |
УУ |
Дискриминатор |
U оп (α)
Рис.2.29. Блок-схема следящего измерителя: УУ - управляющее устройство
Дискриминатор содержит в простейшем случае коррелятор, на входы которого поступают принятый сигнал и опорное напряжение Uоп. Очевидно, что максимум выходного напряжения коррелятора U кoр имеет
место при α = α0 .
Измерение α0 методом максимума неэффективно по двум причинам. Во-первых, нередко зависимость U кор (α0 − α) имеет почти плоскую вершину (рис.2.30,а), что объясняет низкую чувствительность к рассогласованию. Во-вторых, имея одно значение U кoр , нельзя решить, в какую сторону нужно изменять α, чтобы приближаться к α0 . Поэтому обычно используют дифференциальный метод.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

U кор (α0 − α)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
α0 − α |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
Uд(α0 −α) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U кор (α0 − α + δα) |
|
|
U кор (α0 − α − δα |
||||||||
0 |
α0 −α |
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых.1 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис.2.31. Дискриминационная |
вх |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
δα |
0 |
δα |
|
|||||||
характеристика |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Регистр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Рис.2.30. Иллюстрация принципа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
работы следящего измерителя |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Uвых.2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Берутся (последовательно |
|
Синхроимпульсы |
|
или одновременно) |
два значения |
|||||||||||||||||||
корреляционного |
интеграла: |
Рис.2.32. Схема цифрового интегратора |
первое - при U оп (α + δα) , |
второе |
||||||||||||||||||||
- при U оп (α − δα) . |
На выходе |
дискриминатора |
|
|
образуется |
|||||||||||||||||||
разность U кор (α0 − α − δα) −U кор (α0 − α + δα) |
(рис.2.30,б). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Из рис.2.30,б |
следует, |
что |
при |
U кор (α0 − α − δα) = U кор (α0 − α + δα) |
|
α = α0 ; |
в |
случае |
||||||||||||||||
U кор (α0 − α − δα) < U кор (α0 − α + δα) |
α > α 0 , а при U кор (α0 − α − δα) > U кор (α0 − α + δα) α < α0 . |
|
|
|||||||||||||||||||||
Нетрудно прийти к выводу, что зависимость выходного напряжения дискриминатора от |
||||||||||||||||||||||||
рассогласования U д (α0 − α) , называемая дискриминационной характеристикой, |
имеет вид, показанный на |
рис.2.31.
Ввиду малости постоянной времени дискриминатора этот элемент обычно считают безынерционным. В качестве его коэффициента передачи K д принимают производную дискриминационной характеристики в точке
α = α0 . Размерность |
|
K д |
|
: |
B |
- в аналоговых устройствах или |
ед. |
- в цифровых устройствах. |
|
||
|
|
|
|||||||||
|
|
α |
0 |
α |
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Заметим, что для одновременного сравнения выходных напряжений корреляторов U кор (α0 − α − δα) |
и |
||||||||||
U кор (α0 − α + δα) нужно |
использовать два коррелятора |
с |
|
опорными напряжениями U оп (α + δα) |
и |
||||||
U оп (α − δα) соответственно. |
|
|
|
|
|
Управляющее устройство состоит из интегрирующих звеньев и преобразователя. Последний необходим для преобразования величины напряжения (числа) на выходе интегратора в значение оценки параметра α. Преобразователь тоже обычно считают безынерционным элементом с коэффициентом
передачи Kпр. Размерность |
|
Kпр |
|
: |
α |
- в аналоговых устройствах или |
α |
- в цифровых. |
|
|
|||||||
|
|
В |
ед. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2.6.2. Цифровые следящие устройства
Дискриминатор обычно строится по одному из двух возможных вариантов. В первом случае используется аналоговый дискриминатор, выходное напряжение которого подвергается аналого-цифровому преобразованию. Во втором случае входное воздействие оцифровывается, а операция вычитания
α~ = α~0 − α~
осуществляется в цифровом устройстве.
В соответствии с принятым вариантом дискриминатора преобразователь выдает значение α в аналоговом или цифровом виде. Если преобразователь является аналоговым элементом, между ним и интегратором устанавливается цифроаналоговый преобразователь.
Масштабирующее звено с коэффициентом передачи m является линейным безынер-ционным звеном. Цифровой интегратор обычно выполняется как накапливающий сумматор (рис.2.32).
~ |
~ |
В качестве выходного числа можно использовать выход сумматора Uвых.1 |
или выход регистра Uвых.2 . |
Волнистая черта над символом U придает ему смысл числа. Период тактовых импульсов обозначим Ti .
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Определим передаточную функцию интегратора при использовании
~
Uвых.1 имеет вид:
~ |
~ |
~ |
(2.34) |
Uвых.1(n) = Uвх (n) +Uвых.1(n -1) . |
Перейдя к z-преобразованиям обеих частей равенства, получим
~ |
~ |
~ |
(z)z−1 . |
Uвых.1(z) =Uвх(z) + Uвых.1 |
Отсюда передаточная функция интегратора равна
Hi1 |
(z) = |
Uвых.1(z) |
= |
z |
|
. |
(2.35) |
|
Uвх (z) |
z -1 |
|||||||
|
|
|
|
|
При использовании второго выхода интегратора
Uвых.2(z) =Uвых.1(z)z−1 .
~
Uвых.1 . Разностное уравнение для
Следовательно, передаточная функция интегратора в этом случае равна
Hi2(z) = |
1 |
|
. |
(2.36) |
|
z -1 |
|||||
|
|
|
2.6.3. Цифровые следящие системы с астатизмом первого порядка
Структурная схема цифровой следящей системы с астатизмом первого порядка представлена на рис.2.33.
U (α0 ) |
Цифровой |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
× m |
|
|
|
|
||||
|
|
|
дискриминатор |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U (α) |
|
|
|
|
|
|
|
Преобразователь |
|
|
Регистр |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kпр |
|
|
Tи |
|
|
|
|
Рис.2.33. Структурная схема следящей системы с астатизмом первого порядка
Как видно из рисунка, используется второй выход интегратора. В данном случае это необходимо, так как момент передачи очередного числа на вход и реакция следящей системы должны быть разделены одним тактовым интервалом. В противном случае состояние системы (число на выходе) будет неопределенным.
Запишем очевидное выражение для передаточной функции разомкнутой системы:
H (z)раз = Kд m z 1-1 Kпр = zK-01 ,
где K0 = K д m Kпр .
Определим размерность K0 . Поскольку m - безразмерный множитель, то
K0 |
|
= |
|
Kд |
|
× |
|
Kпр |
|
= |
ед. a |
, |
||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
a ед. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то есть K0 - безразмерная величина.
Найдем выражение для передаточной функции замкнутой следящей системы (по выходу
преобразователя): |
|
|
|
|
|
|
|
|
H (z)1 = |
H (z)раз |
= |
|
K0 (z -1) |
= |
K0 |
|
|
|
|
|
|
. |
(2.37) |
|||
1 + H (z)раз |
|
1 + K0 (z -1) |
z -1 + K0 |
Таким образом, K0 является единственным параметром передаточной функции.
С помощью выражения (2.37) легко определить область значений K0 , внутри которой следящая система устойчива. Действительно, единственный полюс H (z)1 равен
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com