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

При больших радиусах г вращение антенн А1 с требу­ емой угловой скоростью затруднительно и вместо одной движущейся антенны несколько неподвижных антенн рас­ полагается на окружности радиусом г и поочередно подключается к входу приемника пеленгатора. В этом случае непрерывная модуляционная функция заменяется рядом ее дискретных значений. На основе теоремы Котель­ никова для точного воспроизведения непрерывной функции расстояние между соседними антеннами, расположен­ ными по окружности, не должно превышать половины длины волны несущих колебаний принимаемого сигнала.

Применение эффекта Доплера возможно и в радиомаячных системах, в которых с помощью вращающейся антенны или ряда неподвижных коммутируемых антенн фаза излучаемого сигнала модулируется и параметры модуляции несут информацию об обратном пеленге объек­ та, извлекаемую при обработке сигнала, принимаемого приемоиндикатором на объекте.

При увеличении радиуса г пропорционально растет девиация частоты излучаемых доплеровским маяком коле­ баний, что позволяет повысить помехоустойчивость систе­ мы и, в частности, уменьшить влияние на точность пеленгования отражений от местных предметов.

Амплитудные методы пеленгования. При пеленговании с помощью двух разнесенных ненаправленных антенн (рис. 18.1) могут быть использованы не только фазовые, но и амплитудные соотношения. Комплексные амплитуды сигналов на выходах At и А2 можно записать в виде

U^W”2; и2 = и&-^12.

Суммарный сигнал

Uc= [71 + U2= [7(e-'’,/2 + e_-'’,/2) = 2[7cos^ = 2[7cos(7t^-sina) 2 Ли

(18.9)

дает возможность определить направление по максимуму его амплитуды (метод максимума).

Из выражения (18.9) очевидны следующие недостатки метода максимума: низкая пеленгационная чувствитель­ ность, поскольку пеленгование ведется в области максимума косинусоидальной функции, где ее крутизна минимальна; трудность выявления стороны уклонения оси антенной системы от направления на объект; зависимость амплитуды суммарного сигнала не только от угла отклонения а, но и от неизвестной амплитуды принимаемых сигналов.

381

Чувствительность пеленгования резко повышается для разностного сигнала:

Up = -j(Ui - U2) = -jU(e7ф2 - e ’ 7ф/2) = 2 U sin (it ~ sin a).

К

(18.10)

Момент пеленга соответствует минимальной амплиту­ де сигнала (в данном случае равной нулю), поэтому такой способ пеленгования называется методом минимума.

Метод минимума также обладает существенным не­ достатком, заключающимся в том, что в области пеленга напряжение разностного сигнала Up ~ 0, что затрудняет его наблюдение и тем более использование для измерения дальности объекта при наличии шумов. Последнее особен­ но недопустимо применительно к РЛС, работа которых основана на приеме слабых отраженных сигналов. Поэтому метод минимума применяют в радиопеленгаторах с ра­ мочными антеннами, противоположные стороны которых (выполняющие функции антенн и А2) включены встреч­ но, благодаря чему на выходе рамки образуется раз­ ностный сигнал. В случае радиопеленгатора принимается сильный сигнал радиомаяка. Это обеспечивает в области

Такая характеристика позволяет исключить влияние меняющейся амплитуды входных сигналов, определить сторону уклонения (тангенс — функция нечетная) и обес­ печить высокую точность пеленгования, так как крутизна пеленгационной характеристики в рабочей области (assO)

наличие суммарного сигнала позволяет наблюдать объект на экране индикатора в момент пеленгования и измерить его дальность.

Описанный метод пеленгования называется суммар­ но-разностным. Достоинства такого метода обеспечили его широкое применение в моноимпульсных РЛС.

В радиолокации кроме точности пеленгования большое значение имеет и угловая разрешающая способность, определяемая шириной ДНА аА, а в конечном счете

382

Рис. 18.2

относительным раскрывом антенны dj"^, поскольку

«А^и/^А-

В РЛС, работающих в сантиметровом диапазоне волн, можно создать остронаправленные антенны, что при использовании амплитудных методов пеленгования обес­ печивает большую точность в сочетании с высокой раз­ решающей способностью и однозначностью отсчета при измерении угловых координат.

Метод максимума применяется преимущественно в об­ зорных РЛС, диаграмма направленности которых при сканировании проходит направление на объект. Если объект имеет малую протяженность по сравнению с шири­ ной диаграммы (малоразмерная или точечная цель), а от­ раженный или переизлученный сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала на входе приемника РЛС изменяется в соответствии с формой ДНА 6(a) (рис. 18.2). Анализ огибающей принимаемого сигнала дает возможность за­ фиксировать максимум амплитуды сигнала и определить соответствующее ему направление на объект. Поэтому метод максимума часто называют методом анализа оги­ бающей.

При работе по отраженному сигналу и применении одной антенны ДН влияет на формирование огибающей при излучении и приеме сигнала. Поэтому в качестве пеленгационной характеристики F(a) принимают резуль­ тирующую диаграмму Gp(ot), равную произведению диаг­ раммы при передаче и приеме сигнала, т. е. F(ot) = = Gp(a) = 62(a).

Для получения высокой точности пеленгования по максимуму сигнала необходимы очень узкие диаграммы, применение которых не всегда возможно как вследствие трудностей обеспечения необходимого относительного ра­ скрыва антенны, так и из-за возрастания времени обзора

383

заданного сектора пространства. Значительно более высо­ кую точность при той же ширине ДНА можно получить при использовании метода сравнения амплитуд, который чаще называют равносигнальным методом. При равносиг­ нальном методе производится сравнение амплитуд сигна­ лов, принимаемых в двух положениях ДНА (рис. 18.3). Если направление на объект совпадает с линией, прохо­ дящей через точку пересечения диаграмм (равносигнальное направление), то амплитуды сигналов, соответствующие первой и второй диаграммам, равны и разностный сигнал 17р(Да) = Up [С(у/2 + Да)-С(у/2-Да)] рав.ен нулю. При на­ личии рассогласования Да между направлением на объект

иравносигнальным направлением появляется разностный сигнал, значение и знак которого определяются значением

изнаком Да.

Выбирая угол смещения диаграмм у таким, чтобы диаграммы пересекались в области высокой крутизны спада, можно получить высокую точность пеленгования.

Сравнение сигналов может осуществляться последова­ тельно в двух положениях одной и той же диаграммы (одноканальная схема с последовательным сравнением) или для двух одновременно создаваемых и пересекающихся диаграмм (двухканальная схема с одновременным срав­ нением). Благодаря одновременности сравнения двухка­ нальная схема позволяет исключить дополнительные по­ грешности, вызванные флуктуациями амплитуды принимае­ мых сигналов.

Комбинированные методы пеленговании. Из возможных комбинированных методов пеленгования наиболее часто используют амплитудно-фазовый, например в радиопелен­ гаторах, системах ближней навигации и моноимпульсных РЛС.

В системах ближней навигации применяют маяки с быстро вращающейся ДНА. Если ДНА маяка имеет форму кардиоиды F(a) = (l -cosа) и вращается с угловой скоростью Q, то создаваемый радиомаяком сигнал на входе приемоиндикатора на объекте будет промодулирован по амплитуде:

Напряжение огибающей изменяется с частотой моду­ ляции Q и имеет фазу ф, жестко связанную с азимутом объекта. Требуемый сигнал создается антенной системой,

384

При суммировании полей в месте расположения антенны приемоиндикатора на объекте напряженность результи­ рующего поля

где rn = £m2/£ml = £m3/£ml — коэффициент модуляции. Пос­

его сравнении с опорным напряжением на частоте £), которое передается с помощью частотной модуляции поднесущей, в свою очередь модулирующей по амплитуде колебания, излучаемые ненаправленной антенной At.

В приемнике опорное напряжение частоты Q выде­ ляется частотным детектором и подается на фазовый детектор, измеряющий фазу а.

В РСБН используется также амплитудно-временной метод пеленгования, при котором в момент прохождения оси вращающейся ДНА начального (например, северного) направления ненаправленная антенна излучает специальный

Рис. 18.5

(северный) сигнал. При известной и постоянной скорос­ ти вращения ДНА в момент совмещения ее оси с на­ правлением на объект (например, равносигнальным методом) обратный пеленг определяют по числу из­ мерительных импульсов, излучаемых ненаправленной антенной маяка с интервалами, соответствующими, на­ пример, одному градусу поворота ДНА (одноградусные импульсы).

В последние годы нашел применение и частотный метод в сочетании с фазовым. Он использован в разра­ батываемой микроволновой доплеровской системе посадки

тельности антенна А2 также неподвижна, а эффект пере­ мещения создается путем последовательного переключения излучателей И1; ..., И„, из которых состоит антенна Л2.

где H(t)—изменяющееся во времени расстояние (по высоте) между Av и А2, р— угол места самолета. Частота колебаний E2(t) отличается от частоты опорных колебаний E^t) = Eml sin2nf„t, излучаемых антенной А1г на допле­ ровское приращение Fv= И/Хя1, вызванное «перемещением»

бЯ(г) . „

А2 со скоростью К=———smp. Измерив доплеровское

смещение частоты Fv, определяют текущее значение угла

386

места самолета p = arcsinXH1Fr/ V. Поскольку смещение частоты Fv измеряется относительно опорных колебаний, излучаемых антенной Alt то доплеровское смещение ча­ стоты за счет собственной скорости самолета при изме­ рении компенсируется и его можно не учитывать.

§ 18.2. ТОЧНОСТЬ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РАДИОСИСТЕМ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

В угломерных РНС или РЛС при определении направления измеряемым параметром является угол а, который фик­ сируется с погрешностью Да, характеризуемой дисперсией *о или среднеквадратичным значением оа. Линейная погрешность измерения местоположения, соответствующая оа, растет пропорционально расстоянию D от объекта до РНТ, т. е. о; = D о,.

Предполагается, что при калибровке угломера систе­ матическая составляющая погрешности устранена. Если приняты меры для устранения погрешностей, вызванных несовершенством аппаратуры, а также внешними помехами и условиями распространения, то оа уменьшается до минимально возможного значения оамии, обусловленного собственными шумами приемного канала угломера. При этом точность измерения достигает максимально возможного значения, называемого потенциальной точностью системы.

Угловую разрешающую способность можно охаракте­ ризовать наименьшим угловым расстоянием между двумя расположенными на одной дальности целями, при котором отраженные этими целями сигналы еще не воспринимаются как один (см. §6.1).

Оценим потенциальные возможности РЛС при измерении угловых координат в их взаимосвязи с из­ мерением временной задержки и доплеровского смещения частоты.

Сигнал, приходящий к антенне РЛС, является радио­ волной, которая дополнительно к четырем временным параметрам (амплитуде, частоте, начальной фазе и началу отсчета времени) описывается еще четырьмя пространствен­ ными параметрами: двумя угловыми координатами, опре­ деляющими направление ее прихода, и двумя параметрами, характеризующими поляризационную структуру волны. Если полагать, что приемная антенна настроена на поляри­ зацию волны, то можно рассматривать лишь угловые координаты.

системы составляют комплексная ДНА G(ux, иу) и комп­ лексная функция раскрыва G(vx,vy), связанные двумерным преобразованием Фурье:

причем интегрирование ведется в пределах раскрыва антен­ ны, пределы — оо и оо условны.

В формулах (18.16), (18.17) их и иу-—направляющие ко­ синусы углов 0Х и 0J, (рис. 18.6), отсчитываемых от осей х и у; vx=x/ka и vy=y/'ka — относительные координаты раскры­ ва антенны. Функция раскрыва антенны описывает взаимо­ действие падающей волны и раскрыва в каждой его точке. Она максимальна в центре раскрыва | G (0, 0) | = 1 и спадает до нуля к его краям. Как частота /характеризует скорость изменения текущей фазы сигнала ф(/) = 2л/г во времени t, так и величины vx и vy определяют скорость изменения фазы волны (f>(ux y) = 2Kvx yux у по угловым координатам их и иу.

Поэтому vx и vy называют угловыми пространственными частотами, а функцию раскрыва G{vx, vj—угловым прост­

ранственным спектром или спектром ДНА, двумерным для плоского раскрыва антенны и одномерным для линейного.

Между временной и пространственной характеристика­ ми существует определенная аналогия. При соответству­ ющем выборе уровней отсчета как ширина огибающей

388

сигнала обратно пропорциональна ширине спектра Аг= = 1 /А/, так и ширина ДНА (по направляющим косинусам) Аих у обратно пропорциональна ширине пространственного спектра &»ху, т. е. &их у= 1/Avx,, = ^a/dx_у, где &vx y = = dxy/'ka— относительный раскрыв антенны по координа­ там х и у. Ширина ДНА по углам 0Х и 0^, зависит от угла у между направлением максимума ДНА и нор­ малью к раскрыву. Обычно считают функции | s (г) | и |G(mx, иу) | симметричными относительно своих максиму­

мов, а спектры | S (/) | И | G (vx, vy) | — относительно несущей частоты и центра апертуры антенны.

Таким образом, входное воздействие приемника РЛС как пространственно-временного фильтра (ПВФ) или корре­

F=Fv = 2Vr/'ka = 2D(t)/'k„.

На выходе РЛС как оптимального ПВФ получим пространственно-временной корреляционный интеграл

комплексно-сопряженной функцией входного сигнала и за­

в интеграл лишь несущественный фазовый множитель, характеризующий начальную фазу. Таким образом, введем

щенной огибающей.

Обобщенная функция корреляции (ОФК) принимает конкретный вид, если вместо обобщенных значений

389

v и ц ввести рассматриваемые параметры. В ОФК по угловым координатам огибающей является комплексная

Установив аналогию пространственно-временной ОФК

свременной ФН, воспользуемся формулами, полученными

вгл. 5 для определения дисперсии оценки любого измеря­

емого параметра и в гл. 6 для разрешающей способности РЛС по этим параметрам.

Заменив обобщенный параметр v конкретно измеря­ емым, получим значения дисперсии о.ценки временной

В этих формулах конкретизированы понятия эквива­ лентной обобщенной частоты цэ и использованы введенные в гл. 5 эффективная частота огибающей F3 и эффективная длительность Гэ; гхэ и иуз—эквивалентные пространствен­

чное значение погрешности измерения фазы. Фаза одноз­ начно может быть измерена в пределах периода vn= 1/рмажс, который обычно много меньше заданного диапазона измерения (vMaxc — vMHH) параметра v. В этом случае, как отмечалось в предыдущих главах, вводятся более грубые шкалы измерения. Таким образом, отсчет становится двушкальпым — по грубой и точной шкалам. Если погреш­ ность измерения по грубой шкале превышает интервал однозначности (период) точной шкалы, то необходимы промежуточные шкалы.

Как показано в гл. 6, разрешающая способность РЛС по параметру v характеризуется протяженностью области

390