Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

В случае неподвижных или медленно движущихся объектов доплеровским приращением частоты Fv можно пренебречь и считать, что спектр содержит только дальностные составляющие. Тогда диапазон анализируемых частот Fa = FDMarc-FDMH„ задается зоной обзора по дальнос-

Гм, желательно центральные частоты настройки фильтров

и высокой разрешающей способности дальномера требуется большое число фильтров. Поэтому, несмотря на до­ стоинство параллельного анализатора, заключающееся в быстроте анализа (время анализа та«1 /ДРф), в обзорных ЧМ-системах широко применяют последовательные ана­ лизаторы. Известны последовательные анализаторы с пе­ рестраиваемыми и неперестраиваемыми фильтрами. В ча­ стотных дальномерах чаще используют последние. При этом фильтр настроен на фиксированную частоту Лф, а заданный диапазон частот биений Fa последовательно просматривается (например, на экране ЭЛТ) за счет изменения частоты гетеродина, частоты модуляции или девиации частоты. Последние два случая основаны на

С помощью схемы управления Wf или FM периоди­ чески меняются в пределах, обеспечивающих последова­ тельный анализ всего заданного диапазона дальностей.

Переходя к частотным системам с обзором по дальнос­ ти, необходимо рассмотреть некоторые особенности спект­ ра частот принимаемого сигнала.

Если время наблюдения Тв значительно превышает период модуляции Т„, то частотный спектр биений имеет дискретный характер. Частоты составляющих спе­ ктра биений кратны частоте модуляции FM, а их амплитуды изменяются по закону огибающей спектра одиночного пакета колебаний, длительность которого

351

определяется значением Тм и временем задержки от­ раженного сигнала хв.

Рассмотрим, например, спектр биений сигнала для дальномера с НЛЧМ. В со­ ответствии с рис. 16.4 пре­ образованный сигнал раз­ бивается на две группы дальностных частот биений (для простоты будем счи­

биений на основной часто­ те FB=WjFMxB имеет дли­ тельность Тм — хв, на час­

тоте FBl = WfFu(Tu — тв)—длительность хв. Полагая, что для ЧМ-дальномера выполняется условие тя«Гм во всем диапазоне изменения дальностей, можно ограничиться анализом основного спектра частот FB, так как более высокочастотные составляющие спектра FB1 подавлены фильтром нижних частот. Поскольку пакеты биений по­ вторяются с частотой Fu, спектр биений будет линейчатым с расстоянием между линиями спектра равным Fw а оги­ бающая спектра имеет форму огибающей спектра прямо­ угольного импульса длительностью Гм — хв, т. е.

8ш[2л(Г-Гр)(Гм-тр)/2]

(16.10)

2n(F-FB)(TM-xB)/2 ’

Так как первые нули функции sinx/x расположены в точках х = + тс, то ширина основного лепестка огибающей спектра (по нулям) ДГРО = 2/(ГМ — тр). Эта величина и будет характеризовать возможность разделения спектров двух

352

При td«:Fm выражение для Д£>мии соответствует формуле (16.5).

Таким образом, разрешающая способность ЧМ-даль- номера определяется девиацией частоты Wf, т. е. шириной спектра излучаемого сигнала, что полностью соответствует общей теории сигналов.

Для дальномера с СЛЧМ полученные результаты сохраняются, но отсчеты дальности при том же значении Ты снимают в два раза чаще. Кроме того, применение СЛЧМ позволяет разделить дальностное FD и доплеровское Fv приращения частоты при движущихся объектах, что уже обсуждалось ранее.

Следует заметить, что от значения xD зависит положе­ ние максимума огибающей спектра относительно линий спектра, что может сказаться на точности измерения FD. Однако при выполнении условия тп«;7м влияние смещения невелико и его можно не учитывать.

В случае СЛЧМ при увеличении дальности объектов D зоны обращения (провалы FD) расширяются, а зоны

и разрешающей способности дальномера. Отсюда очевидна непригодность нелинейной модуляции частоты (например, ГЧМ) в системах с обзором по дальности, так как при этом частота биений FD меняется при неизменной даль­ ности объектов, что исключает однозначное измерение их дальности и разрешение по дальности.

Требования, предъявляемые к линейности модуляции, достаточно высоки. Так, если диапазон анализа Fa = = Fdмакс ~FDмин> а число разрешаемых дискретных значений частот Fd равно N, то для однозначности отсчета каждая из частот должна фиксироваться с погрешностью, не превы­ шающей AF= + FJ2N, т. е. относительная погрешность не более &F/Fd = FJ(2NFd). Например, при А=100, FJ(2FD)- = 0,5 нелинейность модуляции не должна, превышать 0,5%, что является достаточно жестким требованием.

Анализатор спектра и индикатор могут существенно ухудшить разрешающую способность, заданную парамет­ рами излучаемого сигнала. Разрешающая способность по дальности снижается при выборе полосы фильтра больше значения AFD0> рассчитываемого по (16.11). Кроме того, сужение полосы фильтра приводит к увеличению числа фильтров параллельного анализатора или увеличению времени анализа при использовании последовательного анализатора спектра.

При параллельном анализе время анализа не превы­ шает длительности пакета анализируемый колебаний, по­ скольку за это время процесс установления колебаний в фильтре должен закончиться. Таким образом, время параллельного анализа не превышает значения Тм при НЛЧМ и Гм/2 при СЛЧМ. При последовательном анализе это время в N раз больше (N—число элементов раз­ решения по дальности).

Большое число фильтров, необходимое для параллель­ ного анализа при большом числе элементов разрешения, препятствовало его широкому применению при аналоговой реализации. В настоящее время возможно решение этой задачи цифровыми методами, например на основе БПФ, осуществляемого процессором после аналого-цифрового преобразования спектра биений с помощью АЦП. При этом процессор должен иметь достаточное быстродействие и память для обработки принимаемого сигнала в реальном времени.

При движении объектов линии спектра биений смеща­ ются пропорционально радиальной скорости объектов. Как указывалось, дальностное и скоростное смещения частоты могут быть разделены и измерены при исполь­ зовании СЛЧМ. В этом случае линии спектра биений раздваиваются, причем частотный интервал между смещен­ ными линиями равен удвоенному значению доплеровской частоты сигнала соответствующего объекта.

Сравнивая достоинства и недостатки частотного и им­ пульсного методов измерения дальности, следует отметить более сложное решение задачи радиолокационного наблю­ дения многих объектов частотным методом, в частности трудность обеспечения необходимой для этого высокой линейности модуляции, эффективной развязки приемного

ипередающего тракта частотной РЛС.

Вто же время частотный метод позволяет при малой

пиковой мощности излучаемого сигнала получить высокую точность и разрешающую способность по дальности, дает возможность измерения малых дальностей. Преимущества частотного метода особенно ощутимы при измерении дальности и скорости одного объекта на небольших расстояниях, что и определило широкое применение частот­ ных дальномеров для измерения высоты летательных или космических аппаратов над поверхностью Земли или другой планеты. В радиовысотомерах закон модуляции частоты может отличаться от линейного, что упрощает создание аппаратуры. Однако при использовании частотно­

354

го дальномера для измерения высоты должны учитываться некоторые особенности отраженных сигналов, которые рассматриваются далее.

§ 16.4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНОГО МЕТОДА В РАДИОВЫСОТОМЕРАХ

Измерение высоты и вертикальной скорости объектов необходимо для решения таких задач, как пилотирование ЛА (самолетов и вертолетов), дистанционная съемка рельефа поверхности Земли, планет или их спутников, посадка КА на поверхность планет, определение текущей высоты орбиты ИС Земли и планет.

Основными тактическими характеристиками радиовы­ сотомеров (РВ) являются пределы и точность измерения высоты и вертикальной скорости. В зависимости от назначения измерителя требования к его параметрам изменяются в широком диапазоне. Одним из основных требований к РВ является сохранение заданной точности измерения при различных эволюциях ЛА. Возникающие при этом погрешности измерения Н и W* можно устранить гиростабилизацией антенной системы РВ. Такой способ, однако, дорог и используется редко. Обычно для уменьше­ ния возникающих из-за кренов ЛА погрешностей приме­ няют широкие ДНА, что приводит к расширению частот­ ного спектра отраженных от подстилающей поверхности сигналов и усложнению их обработки. Построение и харак­ теристики РВ определяются видом излучаемых (зондиру­ ющих) сигналов.

Непрерывное излучение с ЧМ используют в РВ малых и средних высот. Импульсное излучение с малой (квазинепрерывное) и большой скважностью применяют в основном в РВ больших высот, хотя с освоением наносекундного диапазона импульсное излучение начинает использоваться и при измерении малых высот.

Специфика отражения радиосигналов в СВЧ-диапазоне от протяженной поверхности со случайным рельефом заключается в том, что радиосигнал на входе приемника является результатом сложения большого числа элементар­ ных сигналов. Эти сигналы создаются при отражении от множества «блестящих точек», расположенных случайно в пределах площади, облучаемой антенной (рис. 16.5), имеющей ДНА шириной 0 л. В пределах этой площади существует участок, дающий наибольший вклад в результи­ рующий сигнал. Такой участок называют эффективным

определяющими направле­ ние оси ДНА. Угол v(t) измеряется в вертикальной плоскости, проходящей че­ рез вектор путевой скорости Wn (вертикальная составля­

ющая скорости обозначена WB). Указанные пара­ метры связаны с текущей высотой полета H(t) выра­ жением

cos t>(/)cosy (/).

Изменение высоты полета H(t) определяется флуктуациями

высоты полета //(/) может быть описано системой стохастических уравнений, учитывающих изменение рельефа подстилающей поверхности и эволюции ЛА, которые используются для синтеза устройства приема и обработки сигналов в РВ, оценки их точности и помехоустойчивости

[13].

Наиболее эффективный путь повышения точ­ ности п надежности измерения высоты заключается в комплектировании РВ с барометрическим высотомером и измерителем вертикальной составляющей ускорения (акселерометром вертикального канала). При этом воз­ можно получить информацию о профиле рельефа ме­ стности.

Как отмечалось, частотный измеритель дальности позволяет одновременно определять и радиальную ско­ рость объекта. Однако необходимость расширения спектра для повышения точности и разрешающей способности при измерении дальности ведет к ухудшению этих параметров при измерении скорости. Поэтому для точного измерения скорости создают специальные из­ мерители скорости на основе доплеровского эффекта,

356

9 Что такое постоянная погрешность ЧМ-дальномсра? Како-

•вы причины ес появления и пути уменьшения?

Чем определяется потенциальное значение точности и раз­ решающей способности ЧМ-дальномсра?

При каких условиях возможно раздельное измерение даль­ ности и радиальной скорости объекта ЧМ-дальномс- ром?

В каких случаях возможно применение нелинейного закона

частотным методом?

Сравните преимущества и недостатки импульсного и ча­ стотного методов измерения дальности.

Укажите особенности применения ЧМ в радиовысотомерах и возможные пути повышения точности измерения высоты.

А^мин^ЗО м.

ГЛАВА 17

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

§ 17.1. ДОПЛЕРОВСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА

В настоящее время широкое применение для управления ЛА получили автономные средства навигации. К их числу относятся и доплеровские измерители вектора скорости объекта. Наиболее распространенными являются доплеров­ ские измерители путевой скорости и угла сноса самолета (ДИСС).

Напомним, что путевой скоростью самолета называют горизонтальную проекцию скорости ЛА относительно земной поверхности. Путевая скорость W связана с воз­ душной скоростью V и скоростью ветра U навигационным треугольником (рис. 17.1), в котором угол <р между векторами воздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причиной является ветер.

357

Доплеровский измеритель позволяет непосредственно опре­ делить путевую скорость по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью.

При горизонтальном полете ЛА для обеспечения достаточно большой проекции вектора скорости W на направление облучения и сохранения значительного отра­ жения в направлении ДИСС применяют наклонное облу­ чение земной поверхности (рис. 17.2, а).

Для определения спектра частот отраженного сигнала вырежем из облучаемой площади элементарную полоску, все точки которой расположены на направлениях, состав­ ляющих угол Р; с вектором скорости W. Имея в виду,

лучаемой площади спектр отраженного сигнала можно представить последовательностью частот

в пределах облучаемой пло­ щади одинаковы, то форма огибающей спектра опреде­ ляется формой ДНА изме­ рителя в вертикальной плоскости. Максимальную мощность в этом случае (рис. 17.2,6) имеет сигнал на средней частоте спектра,

Обучаемая

площади

Рис. 17.2

358

соответствующей направлению 0О (оси ДНА). Ширина спектра сигнала на уровне половинной мощности

1W

Ра $1ПРо'

К

Для измерения путевой скорости ЛА необходимо найти среднюю частоту доплеровского спектра F,ro. Если вектор W горизонтален (рис. 17.3) и составляет с осью ДНА угол у в горизонтальной и Ро в вертикальной плоскостях, то

1W

При совмещении направления облучения в горизон­ тальной плоскости с вектором W угол у = 0 и приращение частоты достигает максимума:

определить непосредственным измерением FWm с помощью частотомера.

Угол сноса ср равен углу, составленному осью самолета и осью ДНА в момент ее совмещения с направлением вектора путевой скорости,

т. е. при Fn. = FWm. Однолуче­ вая система не находит прак­ тического применения из-за низкой точности измерения.

Для выяснения влияния погрешности при определе­ нии частоты FWm предполо­ жим, что в момент измере­ ния FWm угол у/0. При этом доплеровское смеще­ ние отличается от FWm:

359

= y-cos Pol1C0SY) = FH'm-2sinz-xFWm —.

Отсюда можно найти погрешность измерения угла сноса (р, вызванную неточностью совмещения оси ДНА с век­ тором W из-за погрешности определения:

угла сноса являются следствием его низкой чувстви­ тельности к изменению угла у при небольших рас­ согласованиях направлений W и оси ДНА в горизонтальной плоскости.

Погрешность измерения FWm вызывает и соответствую­ щую погрешность измерения путевой скорости, значение которой может быть найдено из выражения (17.4):

\WjW=\FwIFWm.

Второй важной причиной погрешностей однолучевых изме­ рителей является крен ЛА.

Предположим, что из-за крена истинное значение угла отличается от расчетного на Аро. Продифференцировав выражение (17.4) по параметру 0О, получим

В реальных системах угол облучения р0 выбирается около 70°. В этом случае относительная погрешность определения путевой скорости составляет 0,05% на каждый градус погрешности Ар0 в значении истинного угла облучения р0.

360