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

этом зависимость сум­ марного напряжения ис от угла рассогласования а аналогична суммарной ДНА при излучении.

В точке р моста об­

представленную на рис. 18.15, б, в полярной и прямо­ угольной системах координат. Если объект отклоняется от равносигнального направления в сторону Alt то фаза разностного сигнала противоположна фазе суммарного, а если в сторону А2, то фазы сигналов ис и ир совпадают. При расположении объекта на равносигнальной оси нр = 0. Таким образом, разностная диаграмма аналогична диск­

в котором в качестве опорного используется сигнал на выходе УПЧ суммарного канала. После амплитудного детектирования суммарный сигнал позволяет также обна­ ружить объект и измерить его дальность.

Для исключения влияния изменения амплитуды сигнала на крутизну пеленгационной характеристики системы применяется быстродействующая АРУ, которая изменяет усиление каналов обратно пропорционально входному напряжению суммарного канала. При этом напряжение на выходе суммарного канала остается постоянным, а выходное напряжение разностного канала изменяется обратно пропорционально напряжению на входе суммарного канала ис. Поскольку выходное напряжение ФД пропорционально среднему значению произведения uCBupB напряжений на выходе суммарного и разностного каналов, при эффективной работе БАРУ напряжение рассогласования на выходе ФД оказывается

411

пропорциональным отношению разностного и суммарного напряжений на входе каналов:

Таким образом, пеленгационная характеристика сум­ марно-разностного измерителя определяется отношением разности сигналов к их сумме, вследствие чего неидентичность амплитудных характеристик влияет только на кру­ тизну характеристики, но не на положение равносигнальной оси. Это существенно уменьшает влияние флуктуаций амплитуды сигналов. Фазовые нестабильности также мало влияют на точность, поскольку в системе производится сравнение амплитуды сигналов.

Большая стабильность равносигнального направления и связанная с этим высокая точность являются существен­ ным достоинством суммарно-разностного метода, обеспе­ чившим его широкое применение в моноимпульсных СИН.

При двумерном слежении по азимуту и углу места измеряются рассогласования по а и р. Антенна имеет четыре излучателя Аг и А2, А3 и Л4, симметрично смещенных относительно фокуса зеркала. В измерителе три суммарно-разностных моста: два — для образования разностных сигналов по а и р, третий — для формирования общего суммарного сигнала. Разностный выход третьего моста замкнут на поглощающую нагрузку. Приемное устройство содержит соответственно три приемных канала: суммарный и два разностных.

Выделенные на выходе фазовых детекторов напряжения рассогласования по и и 0 с помощью следящих управляют положением равносигнальной оси, непрерывно совмещая ее с направлением на сопровождаемый объект.

В заключение отметим, что моноимпульсная система может быть использована также для поиска цели и для одновременного измерения координат нескольких целей. В этих случаях сигнал на выходе углового дискриминатора является мерой угла отклонения направления на цель от равносигпальной оси. Для измерения угловых отклонений производится предварительная калибровка системы. Полу­ ченные данные могут быть введены в память ЭВМ при автоматических измерениях или использованы оператором при измерении углов с помощью индикатора.

При поиске целей и измерении угловых координат нескольких целей иногда необходимо их разрешение в пределах ДНА. Такое разрешение можно осуществить селек-

412

тированием сигнальных импульсов по дальности, если объекты расположены на различных дальностях. При этом можно измерять угловые координаты каждого объекта по выходному напряжению ФД соответствующего канала.

§ 18.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ В ЦИФРОВОЙ КОД

Часто РЛС работают совместно с ЭВМ, используемыми для обработки радиолокационной информации. Для ввода в ЭВМ текущих значений измеряемых РЛС параметров они должны быть представлены в цифровом коде. Преоб­ разование времени задержки сигнального импульса, харак­ теризующего дальность, и углового положения цели в мо­ мент приема сигнала в требуемый цифровой код осущест­ вляется устройством преобразования данных, в котором производится также первичная обработка информации, т. е. выделение сигнала из помех.

В случае РЛС кругового обзора определение координат происходит в процессе обзора, поэтому на вход устройства первичной обработки информации с выхода приемника поступает пачка сигнальных импульсов, длительность кото­ рой зависит от времени облучения цели То6п, а число импульсов в пачке — от длительности облучения и периода повторения импульсов Т„. Для выделения

импульсов пачки из помех при первичной обработке используются известные методы накопления периодичес­ кого сигнала. При измерении азимута фиксируется положе­ ние импульсов в начале и конце пачки. В этом случае измеряемый азимут будет средним значением двух отсчетов аи и ак, которые и вводятся в ЭВМ после преобразования в цифровой код.

При постоянной скорости вращения антенны П, угол

преобразованию временного интервала в цифровой код. Однако в большинстве случаев не удается обеспечить необходимую стабильность скорости вращения антенны, поэтому применяют различные способы непосредственного преобразования угла в цифровой код. При этом исполь­ зуются оптические датчики угла поворота в виде дисков (или барабанов), жестко связанных с устройством поворота антенны и вращающихся синхронно с антенной. Наиболее совершенны позиционные преобразователи, в которых код,

413

соответствующий каждому из направлений, нанесен на диск в виде смещенных вдоль радиуса прозрачных и не­ прозрачных участков (рис. 18.16). Число участков равно числу разрядов кода г. С одной стороны диска расположен импульсный источник света, а с другой — г фотодетекторов, размещенных по радиусу со сдвигом, соответствующим протяженности кодовых участков. В момент считывания координат импульсный источник подсвечивает через узкую щель всю кодовую комбинацию, которая снимается в па­ раллельном коде с фотодетекторов. Так как для исклю­ чения больших ошибок при считывании координат на диске наносится циклический двоичный код, то перед вводом в ЭВМ его необходимо преобразовать в машинный код. Раньше применялись более простые накапливающие преобразователи угол — код, в которых производился счет равномерно расположенных по окружности диска или барабана угловых меток (например, подсвечиваемых от­ верстий в оптическом преобразователе). Но иМ свойственны существенные недостатки (необходимость ввода начальных значений и накопление погрешностей при сбоях), которые и обусловили переход к более сложным позиционным преобразователям.

И накапливающие и позиционные преобразователи угол — код имеют погрешности квантования, вызванные конечной дискретностью расположения меток.

Погрешности преобразователя угол — код увеличивают результирующую погрешность измерителя угловых коорди­ нат, которая обусловлена внутренними и внешними поме­

414

цели, несоответствием порядка астатизма СИН движе­ нию сопровождаемой цели. Рациональным выбором па­ раметров измерителя стремятся снизить результирующую погрешность измерителя угловых координат до требуемого уровня.

9 Что такое чувствительность пеленгования угломера?

•В чем заключаются преимущества суммарно-разностного метода пеленгования по сравнению с методом максимума

и минимума?

Какие комбинированные методы пеленгования находят практическое применение?

При каких условиях необходимо использовать обобщенную функцию корреляции?

Какие параметры РЛС определяют потенциальные значения

точности и разрешающей способности при измерении угло­ вых координат?

Чему равно предельное разрешаемое расстояние РЛС боко­ вого обзора при когерентной обработке сигналов?

В чем отличие фокусированной и нефокусированной обра­ ботки сигнала при синтезировании раскрыва в РЛС бокового обзора?

Каким образом можно практически реализовать оптималь­ ный угловой дискриминатор СИН?

Укажите достоинства и недостатки СИН с коническим сканированием ДНА.

Почему в моноимпульсных СИН чаще других используется

суммарно-разностный метод пеленгования?

В чем достоинство позиционных преобразователей угол-код, применяемых при цифровом съеме угловых координат? Определите разрешаемое расстояние РЛС бокового обзора при нефокусированной обработке, если длина волны РЛС

= 3 см, расстояние до рассматриваемого участка обозре­ ваемой поверхности £>о = 6Окм.

ГЛАВА 19

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ

§ 19.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ

Оптической локационной системой (ОЛС) называют сово­ купность технических средств, позволяющих обнаруживать объекты и оценивать их координаты с помощью электро­ магнитных волн оптического диапазона (от 3-1012 до 3’101бГц или в длинах волн от 100 до 0,01 мкм). Так

415

как в качестве излучателей в ОЛС используются, как правило, лазеры, то термины «оптическая локация» и «ла­ зерная локация» можно рассматривать как синонимы.

По сравнению с другими источниками света лазеры имеют то преимущество, что излучаемое ими электро­ магнитное поле обладает высокой пространственно-времен­ ной когерентностью, что дает возможность формировать узкие диаграммы направленности. Для твердотельных лазеров угловая расходимость составляет единицы милли­ радиан, а для газовых — десятые доли миллирадиана. Следствием этого является более высокая, чем у РЛС СВЧ-диапазона, угловая разрешающая способность и точ­ ность измерения угловых координат. Малое поле зрения (узкая ДН) приемных оптических антенн позволяет эффек­ тивно селектировать отражения от земли и местных предметов при работе с объектами, имеющими малый угол места, повышает помехоустойчивость ОЛС по от­ ношению к преднамеренным помехам.

Переход в оптический диапазон дает также возмож­ ность повысить точность измерения дальности до цели и ее радиальной скорости. При импульсном методе измерения это связано с возможностью излучения им­ пульсов наносекундной длительности с пиковой мощностью

всотни и тысячи мегаватт. При фазовом методе измерение ведется на поднесущих, имеющих частоты вдлоть до СВЧ-диапазона.

Доплеровские методы измерения радиальной скорости

воптическом диапазоне характеризуются высокой чувстви­ тельностью. Так, при длине волны Хи=1 мкм радиальной

скорости Иг = 0,1 м/с соответствует доплеровское смещение частоты Fv = 2 Иг/Хи = 200 кГц. Для реализации таких мето­ дов требуется высокая стабильность (временная когерент­ ность) излучения, которая может быть достигнута с по­ мощью газовых лазеров.

Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическим сигналам, позволяет успешнее, чем в радио­ диапазоне, распознавать наблюдаемые объекты и форми­ ровать изображение просматриваемого пространства. ОЛС присущи следующие особенности, которые нужно учи­ тывать при выборе частотного диапазона проектируемой локационной системы:

1) характеристики ОЛС сильно зависят от свойств среды, в которой происходит распространение лазерного излучения. Например, при работе ОЛС в приземном слое атмосферы (тропосфере) дальность действия и точность

416

измерения координат объекта определяются в основном метеоусловиями;

3)существующие ограничения по частоте повторения импульсов, вызванные теплофизическими особенностями работы лазера, снижают темп обновления информации, получаемой от лоцируемого объекта;

4)квантовый характер электромагнитного излучения уменьшает эффективность обнаружения сигнала и измере­ ния его параметров вследствие как внутренних и внешних шумов, так и вероятностного характера регистрации опти­ ческого излучения.

Основными областями применения ОЛС являются:

1)геодезия, картография, строительное и горное дело;

2)траекторные измерения космических объектов в си­ стемах Земля —Космос и космических комплексах (сбли­ жение, стыковка);

3)калибровка радиолокационных измерителей;

4)получение метеоинформации;

5)управление оружием.

Часто ОЛС работают в комплексе с другими систе­ мами, что позволяет преодолеть ряд присущих им недо­ статков. Например, для наведения луча ОЛС на цель применяют оптические или телевизионные визиры, исполь­ зуют данные, полученные от РЛС и теплолокаторов.

Из рассмотренных в § 7.1 режимов работы локацион­ ных систем для ОЛС наиболее характерным является активный режим, при котором источник зондирующего сигнала и приемник отраженного излучения простран­ ственно совмещены.

Структурная схема ОЛС в общем виде представлена на рис. 19.1. В ее состав входят источник и приемник

Рис. 19.1

Оптический передатчик

Рис. 19.2

излучения, оптическая система (ОС), формирующая излу­ чаемый в направлении цели световой пучок и собирающая отраженное объектом излучение, система обработки и на­ ведения, осуществляющая оценивание координат цели и их автоматическое сопровождение.

Характеристики ОЛС во многом зависят от свойств среды, в которой происходит распространение излучения, отражающей способности объекта и уровня помех, кото­ рые, как и в радиодиапазоне, можно разделить на внешние и внутренние. На рис. 19.1 для обозначения оптических, электрических и механических связей использованы соответ­ ственно двойные, одинарные и пунктирные линии.

Рассмотрим подробнее элементы структурной схемы ОЛС.

Источник излучения — лазерный передатчик (ЛП) — слу­ жит для создания зондирующего сигнала с требуемыми характеристиками, он работает в импульсном или непре­ рывном режиме. Для формирования ДНА, обеспе'Пгвающей концентрацию излучаемой энергии в узком пучке, приме­ няется оптическая система (рис. 19.2), состоящая из двух линз: окуляра 1 и объектива 2, фокальные плоскости которых совмещены. Такая система, называемая коллими­ рующей, позволяет уменьшить расходимость исходного

Для наведения лазерного луча на цель или сканиро­ вания используют систему поворотных зеркал и призм или устройства, основанные на эффекте преломления луча в оптически неоднородной среде, в которой изменение показателя преломления создается управляющим напря­ жением.

Излучаемые оптические сигналы, распространяясь через атмосферу или другую среду, претерпевают изменения, которые обусловлены тремя основными явлениями: погло­ щением, рассеянием и турбулентностью. Поглощение и рас­ сеяние определяют среднее затухание оптического сигнала и относительно медленные флуктуации, вызванные измене-

418

нием метеоусловий. С турбулентностью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Турбулентность делает характеристики среды распрост­ ранения случайными, вследствие чего проиходит расшире­ ние диаметра светового пучка; его амплитуда, фаза, поляризация и угол падения флуктуируют.

При взаимодействии лазерного пучка с отражающей поверхностью цели возникает вторичное излучение, харак­ тер которого зависит от свойств зондирующего луча и особенностей цели (состояние поверхности, характер движения). В зависимости от состояния отражающей поверхности различают зеркальное и диффузное отражения. При зеркальном отражении вторичное излучение форм­ ируется по законам геометрической оптики.

Одним из наиболее часто применяемых зеркальных отражателей является, как и в радиолокации, уголковый отражатель ’ (световозвращатель), называемый в оптике

трипель-призмой. По технологическим соображениям три-

необходимой для того, чтобы перехватить большую часть излучаемой энергии, уголковые отражатели объединяют

вблоки.

Втех случаях, когда размеры шероховатостей поверх­

ности больше Хи/16 (не выполняется рэлеевский критерий гладкости), имеет место диффузное отражение, при анализе которого пользуются моделью ламбертова отражателя. Энергетическая яркость такого отражателя не зависит от направления наблюдения. К ламбертовым поверхностям можно отнести земные ландшафты (почвы, пески, расти­ тельные образования) и некоторые наземные объекты (дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов, кровли зданий).

Для большинства реальных целей микроструктура поверхности является случайной, поэтому рассеянное объек­ том излучение можно рассматривать как результирующее поле, создаваемое отражением падающего светового потока от ближайших окрестностей «блестящих» точек, случайно и независимо друг от друга расположенных на облучаемой поверхности. Следствием этого является случайный харак­ тер отраженного сигнала, характеризуемого в соответствии с центральной предельной теоремой гауссовским законом распределения мгновенных значений напряженности поля. Если при этом учесть, что случайный характер излучение

приобретает и в результате прохождения через турбулент­ ную среду, то станет понятным, почему при математи­ ческом описании принятого оптического сигнала широко применяют модель нормального случайного поля.

Вместе с полезным сигналом на входе оптической приемной системы присутствует световой фон, создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС. Фоновая помеха представ­ ляет собой случайное гауссовское поле, которое, как и нормальный случайный процесс, можно полностью описать средним значением и корреляционной функцией. Так как для оптических полей среднее значение напряжен­

ности E(t, г) = 0, где г—радиус-вектор, определяющий положение точки в плоскости наблюдения; t — время, то корреляционная функция может быть записана в виде

X(?i, гх, t2, rz)=E(tl, r1*(r)£ 2, r2).

Случайное поле считается стационарным и однородным,

если

41. П, t2, г2) = ^(/2-/1, г2-Г1).

Так как фоновое излучение стационарно и однородно, обладает чрезвычайно широким спектром, а его простран­ ственный радиус корреляции существенно меньше радиуса корреляции сигнального поля, то корреляционная функция фоновой помехи

N

При работе ОЛС в сильно замутненной среде (туман, во­ да).основным видом помехи является обратное рассеяние излу­ чения передатчика—так называемая помеха обратного рассея­ ния. Характер этой помехи зависит как от оптических характе­ ристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.

Кроме внешних помех при проектировании ОЛС необходимо учитывать внутренние шумы, возникающие при преобразовании оптического сигнала в электрический. Связанный с ними ток, возникающий на выходе преобра­ зователя при отсутствии светового сигнала на входе, называют темновым.

Часть отраженного от цели излучения вместе с внеш­ ними помехами попадает на входную апертуру оптического

420