Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

нейчатым. В случае конечного числа импульсов в пачке происходит расширение спектральных линий на величи­ ну, обратную длительности всей пачки, т. е. 1/N1\ (см. гл. 4). Нарушение когерентности вызывает дополнительное размытие спектральных линий сверх величины, определяе­ мой длительностью пачки (частичная когерентность). В пределе при полном нарушении когерентности спектр пач­ ки, как уже говорилось, не отличается от спектра одиноч­ ного импульса. Таким образом, степень расширения спект­ ральной линии сверх величины, определяемой шириной пачки, может служить мерой когерентности. Если восполь­ зоваться линейным приближением, т. е. принять, что шири­ на спектральных линий А/ является линейной функцией интервала Аф0. в пределах которого начальные фазы им­ пульсов распределены равномерно, то А/ = ГпА(р0/2л. Действительно, при Аср0 ~ 2л спектр становится сплош­

герентные РЛС с непрерывным излучением, рассмотренные в § 2.2, дают возможность осуществлять селекцию цели по скорости. Аналогичную возможность обеспечивают коге­ рентно-импульсные РЛС, использующие когерентные им­ пульсы. РЛС с когерентным зондирующим сигналом (при непрерывном излучении или в виде пачки когерентных им­ пульсов) можно назвать истинно когерентными. Что каса­ ется некогерентных импульсов, то в течение длительности пачки без применения специальных мер (о которых пойдет речь ниже) нельзя выделить изменения фазы отраженного сигнала, которые связаны с движением цели. С другой сто­ роны, иногда в принципе возможно измерение доплеров­ ского сдвига частоты в течение длительности короткого им­ пульса, но такой метод имеет н-изкую точность (даже ниже, чем при непосредственной фиксации изменения временного положения импульсов).

Важной разновидностью когерентно-импульсных РЛС являются псевдокогерентные. В этих системах использу­ ется некогерентный зондирующий сигнал (применяется пе­ редатчик с самовозбуждением, например, магнетрон), но осуществляется запоминание начальной фазы каждого им­ пульса. Это позволяет при приеме отраженного импульса исключить влияние случайной начальной фазы и сохранить только то изменение фазы, которое происходит за счет дви­ жения цели (предполагается, что при отражении пачки им­ пульсов не происходит случайных изменений фазы). За­ поминание же начальной фазы осуществляется посредст­

90

вом опорных стабильных гармонических колебаний, за­ полняющих почти весь промежуток между импульсами, на­ чальная фаза которых совпадает с начальной фазой зонди­ рующего импульса.

Различают псевдокогерентные системы с внешней коге­ рентностью и внутренней. В системах с внешней когерент­ ностью опорный сигнал создается вследствие отражения от неподвижных протяженных целей (например, от местных предметов, расположенных вблизи РЛС, если их коорди­ наты перекрывающиеся). В системах с внутренней коге­ рентностью опорный сигнал формируется с помощью специ­ ального когерентного гетеродина, синхронизируемого по фазе импульсом передатчика.

ВРЛС обнаружения воздушных целей, используемых

ваэропортах и на трассах, когерентно-импульсные методы применяются для отделения движущихся целей от непод­ вижных. Сигналы от неподвижных (или малоподвижных) це­ лей являются пассивными помехами, возникающими из-за от­ ражений зондирующего сигнала РЛС от местных предметов, от водной поверхности (при обнаружении кораблей), от гидрометеообразований, от специальных металлизирован­ ных дипольных отражателей (организованные пассивные помехи). Пассивные помехи могут на 30 ...80 дБ превышать уровень внутренних шумов приемника и значительно мас­ кируют полезный сигнал. Процесс отделения движущихся целей от неподвижных называется селекцией движущихся целей (СДЦ).

4.Принцип действия когерентно-импульсной РЛС. Рас­ смотрим структурную схему наиболее простой когерентноимпульсной РЛС, в которой опорное напряжение форми­ руется из колебаний когерентного гетеродина (рис. 2.15, а).

Колебания когерентного гетеродина усиливаются уси­ лителем мощности, который одновременно с помощью мо­ дулятора выполняет роль ключевого устройства. При этом

из гармонических колебаний когерентного гетеродина «на­ резается» периодическая последовательность радиоимпуль­ сов. Кроме того, эти колебания вместе с отраженным сиг­ налом после усилителя радиочастоты (УРЧ) попадают на фазовый детектор. В качестве простейшего фазового детек­ тора (см. § 2.2, п. 2) можно использовать амплитудный де­ тектор, на который подается сумма опорного сигнала ко­ герентного гетеродина большой амплитуды и слабого по­ лезного сигнала. Происходящий при этом процесс отлича­ ется от рассмотренного в § 2.2, п. 2 лишь тем, что с опорным сигналом смешивается не непрерывный сигнал, а образо­

91

ванная из него когерентная последовательность радиоим­ пульсов.

герентных радиоимпульсов, отражениях от цели, располо­ женной на расстоянии D = £>0 -V цр/ и описываемой в пре-

4- t3 + ти, где k изменяется от 0 до N — 1) функцией ис = = Uc cos [2л/0 (t — 2D!с) — <р„], соответственно равна

Фс = 2л/0 (t — 2D/с) — <рц = 2л (/о ± Fa)i — ф0 — фц, (2.4.6)

где ф0 = 2л/0 (2D0/c), а фц — сдвиг фазы при отражении. Разность фаз

рис. 2.15, б. Амплитуда напряжения на выходе фазового детектора может быть найдена по приращению амплитуды опорного напряжения когерентного гетеродина под дейст­

= UKr 1Г1 + (t/c/t/Kr)2 4- 2 (Uc/Uhr) cos ф-1 ], (2.4.8)

92

а с учетом неравенства UctUM < 1

t/a«</Kr(l +-^—costp —t/ccos<p=?

Для неподвижной цели (частота Доплера Гд = 0) в те­ чение действия когерентных отраженных импульсов про­ исходит изменение амплитуд (70 в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от разности фаз фв4фц. Это иллюстрируется рис. 2.16 для двух различных целей. Здесь изменение амплитуды результирующего колебания на вхо­ де детектора i/p (/) соответствует изменению длины векторов на векторных диаграммах рис. 2.16, а, б (заметим, что со­ отношение U KV Uс на рис. 2.16 не выдерживается). На рис. 2.16, а, б показаны также видеоимпульсы и& (/), полу­ ченные на выходе детектора, и соответствующие отметки цели.

Если цель движется (Ед 0), то разность фаз когерент­ ного напряжения и сигнала ф непрерывно изменяется. На векторной диаграмме вектор йс вращается, а результирую­ щий вектор С7Р колеблется (рис. 2.17, о). Амплитуда сум­ марного напряжения опорного и полезного сигналов йр непрерывно изменяется с частотой Ед (рис. 2.17, б). В ре­ зультате напряжение uq (t) на выходе детектора принима­ ет вид последовательности видеоимпульсов, амплитуда ко­ торых Ud изменяется с доплеровской частотой (рис. 2.17, в). Заметим, что амплитуде! Upl и (7р2, находящиеся между максимальной и минимальной, должны быть равны длинам соответствующих-векторов, т. е. несколько больше полу­ ченных путем построения ортогональной проекции на ось Пр (/), показанной на рис. 2.17.

Для аналитического представления амплитуд Ud заме­ ним в формуле (2.4.9) время t его значениями t ~ t0 -j- kTn.

Тогда

Ud = Uc cos (^2nFpkTa hF 2лЕд/0 + ф0 + фц), (2.4.10)

где целое число k изменяется в зависимости от номера им­

На рис. 2.18 показаны отметки неподвижной цели Цг и движущейся Цг. Отметка движущейся цели из-за пульса­ ции амплитуды оказывается двусторонней и как бы «заштри­ хованной». Наличие движения цели можно определить по крайней мере по одному изменению полярности отметки

93

Рис, 2.16. Сигналы на выходе фазового детектора при неподвижных

целях

Рис. 2.17. Сигнал на выходе фазовой го детектора при движении цели

Рис. 2.18. Отметки неподвижной и движущейся целей

94

цели. Для этого достаточно, чтобы расстояние D изменя­ лось всего лишь на AD = Х/4, так как сдвиг фаз отражен­ ных колебаний <рс изменится [согласно (2.4.6)] на

2л/0 • %&Dlc ~ ЬпОГК — 4л~/Х — ли разность фаз (2.4.7)

также изменится на л, а следовательно, в соответствии с (2.4 9) полярность напряжения Ud изменится на —Ud- Вместе с тем для того, чтобы проследить факт движения по

Рис. 2.19. Спектр когерентных радиоимпульсов при движении

цели

Рнс. 2.20. К определению спектра сигнала движущейся цели после фазового детектора

изменению временного положения отметки цели, требует­ ся достаточно большой временной сдвиг, равный, например, длительности импульса т„, что соответствует расстоянию сги/2, которое обычно несоизмеримо больше, чем Х/4.

Таким образом, отличить движущуюся цель от неподви­ жной в когерентно-импульсной РЛС позволяет наличие или отсутствие пульсации амплитуды видеоимпульсов.

5. Спектр последовательности импульсов, отраженных от движущейся цели. При облучении движущейся цели час­ тоты всех гармонических составляющих последователь­ ности когерентных радиоимпульсов [см. (2.4 4)1 сдвигают­ ся на (/0 ± * 2ир/с. На рис. 2.19 сплошные линии со­ ответствуют ир = 0, а штриховые ир < 0. Практически в пределах ширины спектра Д/с <^/0 можно считать, что до­ плеровский сдвиг для каждой составляющей, а следова­ тельно, интервал между спектральными линиями не меня­ ются,

95

Рассмотрим теперь спектр видеоимпульсов на выходе фазового детектора. Если цель неподвижна, то последова­ тельность видеоимпульсов «аи (0 на выходе фазового детек­ тора имеет постоянную амплитуду (рис. 2.20, а). Разложе­ ние такой последовательности в ряд Фурье (2.4.3) дает спектральные линии, частоты которых кратны частоте пов­ торения Fu.

Для движущейся цели, как следует из (2.4.9), последо­ вательность импульсов «ддв (f) отличается от последова­ тельности для неподвижной дели идя (0 множителем cos 2nFflf (полагаем <р0 = <рц = 0, см. рис. 2.20, б), отку­ да

«д д»(0 = Ид н (0 cos 2nFn t = (Ло/2-+ J Ап cos 2nn Fn 0 x n—l

X cos 2лГд t = (Ло/2) cos 2jrFn 14- 2 Ив/2) (cos 2л (nFa 4- n=l

В полученном спектре отсутствуют спектральные линии на частотах, кратных частоте повторения. Они оказывают­ ся сдвинутыми в обе стороны от этих значений на величину Fn (рис. 2.20, в).

Для реальной пачки спектральные линии расширяются вследствие конечного числа импульсов. Кроме того, прак­ тически всегда имеется расширение, вызванное флуктуа­ циями фазы при отражении, флуктуациями скорости цели

ит. д.

6.Когерентно-импульсные РЛС с фазовым детектором на промежуточной частоте. Техническая реализация коге­ рентно-импульсной РЛС по схеме рис. 2.15, а связана с неоправданными трудностями, вызванными использовани­ ем во всех элементах схемы Высокой несущей частоты зон­ дирующего сигнала. Это затрудняет построение фазового детектора и не позволяет получить требуемое усиление при­ нимаемого сигнала. Поэтому необходимо перевести работу всех указанных элементов на промежуточную частоту ПЧ. Одна из возможных схем показана на рис. 2.21, а. Здесь когерентный гетеродин (задающий генератор) работает на ПЧ /пч. Его колебания в первом смесителе смешиваются с колебаниями стабильного местного гетеродина, частота ко­ торого /мг отличается от несущей частоты зондирующего сигнала на /пч. В результате смешения образуются комбина­ ционные частоты. После фильтрации из них выделяются

96

колебания, например fMr + fm, которые воздействуют на усилитель мощности (мощный усилительный клистрон). Последний, кроме того, с помощью модулятора вырабаты­ вает зондирующие радиоимпульсы. Отраженные импуль­ сы, имеющие частоту /мг + fn4 ± ^д, усиливаются и попа­ дают на второй смеситель, который с помощью местного ге-

Рис. 2.21. Когерентно-импульсные РЛС 'с фазовым детектором на промежуточной частоте (ПЧ)

теродина выделяет колебания /пч ± Fn. Таким образом, на фазовый детектор подаются опорное напряжение коге­ рентного гетеродина, имеющего частоту /пч, и отраженные импульсы с частотой /пч ± Гд.

Рассмотрим фазовые соотношения. Пусть фаза когерент­ ного гетеродина

97

ности фаз, вызванное движением цели, то необходимо ис­ ключить возможные флуктуации фазы из-за нестабильно­ стей элементов РЛС. Это относится к когерентному и мест­ ному гетеродинам. Вопрос о влиянии нестабильностей бу­ дет рассмотрен отдельно. Заметим лишь, что стабилизация частоты когерентного гетеродина, работающего на ПЧ, осу­ ществляется гораздо проще, чем стабилизация местного гетеродина. В связи с этим представляет интерес схема рис. 2.21, б, в которой для получения требуемых значений частот используются умножители частоты. Частота коле­ баний когерентного гетеродина (задающего генератора)

вать /0 4-/пч).

Во всех случаях видеоимпульсы с выхода фазового де­ тектора попадают на специальное устройство обработки сигналов, которое отделяет полезные сигналы движущих­ ся целей от сигналов неподвижных и малоподвижных це­ лей (пассивные помехи). Такое устройство, являющееся селектором движущихся целей и подавителем пассивных помех, будет в дальнейшем (§ 5.5) именоваться подавите­ лем.

7. Слепые скорости цели. Эффект «слепых» радиальных скоростей цели характерен для когерентно-импульсной РЛС и отсутствует в случае непрерывных колебаний. По­ ясним его с помощью рис. 2.22. Здесь показаны зондирую­ щие импульсы и3, образованные из напряжения когерент­ ного гетеродина, и соответствующие отраженные имиульсы

98

ис для случая, когда расстояние за период повторения Тп от одного облучения цели до другого изменилось на Х/2. Так как колебания пооходят двойной путь до цели и обрат­ но, то общий путь изменится на X, а фаза на 2л. Как видно, фазовый сдвиг между напряжением когерентного гетеро­ дина и обоими импульсами остается одинаковым. Поэтому на выходе фазового детектора оба импульса будут иметь одинаковую амплитуду, пульсация отсутствует и наличие движения обнаружить невозможно. То же самое ппоисхо-

Рис. 2.22. К понятию слепых скоростей

где n = 1 соответствует первой слепой скорости, и = 2 — второй и т. д.

Слепым скоростям соответствуют доплеровские частоты

Fл сл ~ nFп>

О наличии слепых скоростей свидетельствует непосред­ ственно выражение (2.4.11) для разности фаз двух соседних отраженных импульсов. Действительно, если Дсрт =

— 2tcFяТп = 2л/ц то амплитуда видеоимпульсов (2.4.10) остается постоянной.

Наличие слепых скоростей вытекает также из спектраль­ ного состава импульсов. Так как для случая движущейся цели спектральные линии импульсов на выходе фазового детектора расположены в точках kFa ± FK, то при сл=

— nFn они совместятся с линиями, расположенными в точках, кратных Fn, что характерно для непульсирующих импульсов, отраженных от неподвижной цели. Аналогич­ ный вывод можно сделать, рассматривая спектр последо­

99