Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

на экране ЭЛТ (рис. 1.4, б), то первая цель даст отметку в одной и той же точке развертки на неизменном относитель­ но начальной точки отсчета расстоянии с/31/2 независимо от изменения периода повторения. Отметка же второй цели

ком неоднозначности. При большей степени неоднозначно­ сти требуется дополнительное дискретное значение периода

Рие. 1.4. Вобуляция периода повторения импульсов:

а — временная диаграмма, б — изображение иа экране ЭЛТ

сигнал отсутствует не только при ta & 0 (из-за запирания приемника), но и при t3 ж Тп, 2Ти, ... Соответствующие этим запаздываниям дальности иногда именуются «слепыми».

’ 3. Минимальная дальность действия импульсной РЛС. При использовании в РЛС двух отдельных антенн для пере­ дачи и приема можно довести минимальную дальность до практически несущественной величины.

В случае же одноантенной РЛС минимальное расстояние до цели («мертвая зона») может оказаться достаточно ощу­ тимым. Это объясняется тем, что антенный переключатель должен запирать приемник на время, равное длительности импульса, а после окончания импульсов передатчика тре­ буется время на восстановление антенного переключателя (процесс деионизации газового разрядника); в течение этого времени чувствительность приемника остается заниженной. Таким образом, минимальное расстояние, начиная с кото­ рого возможно наблюдение отраженного импульса цели, Dwin = с (ти + /в)/2, где — время восстановления чув­ ствительности приемника; в некоторых случаях, например при. неисправном газовом разряднике защиты приемника, это время может заметно превзойти величину ти.

20

1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОЙ РЛС КРУГОВОГО ОБЗОРА

1. Структурная схема. Дальнейшим развитием импульс­ ного дальномера, показанного на рис. 1.1, является РЛС, позволяющая производить обзор пространства и измерять одну из угловых координат цели, чаще всего азимут. Струк­ турная схема простейшей РЛС кругового обзора с визуаль­ ной индикацией цели изображена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Структурная схема импульсной РЛС кругового обзора

Антенна РЛС имеет веерообразную диаграмму направ­ ленности (ДН), т. е. узкую в горизонтальной плоскости (шириной в несколько градусов или долей градуса) и доста­ точно широкую (десятки градусов) в вертикальной плоско­ сти. При вращении такая антенна обеспечивает не только требуемый обзор в вертикальной и горизонтальной плоско­ стях, но и измерение азимута. Этот принцип сохраняется как для обзора воздушного пространства (наземная РЛС), так и для обзора земной поверхности (бортовая РЛС).

Для визуальной индикации двух координат цели необ­ ходим двумерный индикатор кругового обзора (ИКО) с яр­ костной отметкой цели. В ИКО обычно применяется ЭЛТ с магнитным отклонением луча. Импульсные сигналы с вы­ хода приемника подаются на управляющий электрод ЭЛТ ^увеличивают яркость свечения экрана во время их появ­ ления.

'Развертка дальности осуществляется с помощью откло­

няющей катушки, создающей магнитное поле, которое рав­ номерно перемещает электронный луч от центра экрана ®ЛТ к его краю по радиусу. Азимутальная развертка, т. е.

21

круговое вращение развертывающего луча дальности синхронно с антенной, создается либо вращением отклоняющей катушки с помощью системы дистанционной передачи угла— СДПУ (рис. 1.6), либо посредством специально формируе­ мых отклоняющих напряжений, питающих неподвижные отклоняющие катушки (см. § 1.3). В качестве СДПУ часто

Рис. 1.6. Временные диаграммы процессов в РЛС кругового обзора (номера временных диаграмм соответствуют точкам на рис. 1.5)

используется следящая сельсинная система с грубыми и точными каналами, обеспечивающая достаточно высокую точность передачи.

Временные диаграммы процессов в характерных точках, обозначенных цифрами в кружках на рис. 1.5, показаны на рис. 1.6. Синхронизатор РЛС формирует периодическую по­ следовательность импульсов с периодом Тп, которые воз­ действуют одновременно (либо, как будет показано ниже, с некоторым постоянным запаздыванием) на модулятор, генератор развертки дальности и генератор масштабных импульсов. Импульсный модулятор вырабатывает моду­

22

лирующие видеоимпульсы длительностью ти, воздейст­ вующие на генератор СВЧ. Последний генерирует ра­ диоимпульсы приблизительно той же длительности. Пе­ риодическая последовательность этих импульсов излучает­ ся антенной в виде зондирующего сигнала.

Описанный метод синхронизации РЛС от генератора син­ хронизирующих импульсов называется внешним. Наряду с этим иногда используется внутренняя синхронизация от независимо работающего модулятора.

Отраженный импульс появляется на входе приемника че­ рез интервал времени /3. На выходе приемника образуются видеоимпульсы, смешанные с шумом, которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ.

Генератор развертки дальности вырабатывает в откло­ няющей катушке пилообразно изменяющийся ток, длитель­ ность прямого хода которого Тр = 2£>Шк/с. При этом, как указывалось, электронный луч совершает равномерное движение вдоль радиуса ЭЛТ, который, в свою очередь, вращается вместе с антенной. Такая развертка луча на экране ЭЛТ называется радиально-круговой. Она создает на экране изображение (часто именуемое растром )* в виде ряда тесно примыкающих друг к другу радиусов.

Генератор масштабных импульсов вырабатывает серию импульсов с периодом повторения

гдеРм — требуемый интервал между масштабными импуль­ сами.

Эти импульсы могут быть периодическими, если выполня­ ется условие Тп = пТи, где п — целое число, либо иметь вид пачёк, действующих в пределах длительности прямого хода развертки Тр. Такие импульсы можно формировать, например, с помощью генератора ударного возбуждения. Часто применяются масштабные импульсы отрицательной полярности, подаваемые на катод ЭЛТ (это облегчает раз­ вязку выходных цепей приемника и генератора масштаб­ ных импульсов).

Механизм формирования изображения на экране ЭЛТ по­ ясняется рис. 1.7. При вращении антенны, когда начинается облучение цели (направление 1), на соответствующем ра­ диусе развертки под действием импульса цели возникает яркая точка (амплитуда сигнала характеризуется отрезком АВ диаграммы направленности). Кроме того, возникает

- * От латинского rasirum — грабли.

23

серия эквидистантных ярких точек под действием масштаб­ ных импульсов. Вращение антенны по часовой стрелке рав­ носильно перемещению цели в обратном направлении, так что она последовательно занимает направления 2' и 3'. Радиусы развертки занимают соответствующее положение 2 и 3, и вдоль них возникают в тех же местах, что и в преды­ дущем случае, яркие точки (амплитуда сигнала характери­ зуется отрезками АС и CD). После полного оборота антенны

Рис. 1.7. Формирование изображения в ИКО

на экране образуются масштабные кольца (электронная шкала дальности), а цели будет иметь вид небольшой дуги, угловые размеры которой приблизительно равны угловой ширине луча антенны.

Дальность цели отсчитывается с помощью масштабных колец. Например, для случая, показанного на рис. 1.7, D « 2,7 DM. Азимут же цели Р отсчитывается по положению середины ее отметки относительно какого-либо начального направления, например северного направления меридиана. На рис. 1.7 таким является направление 3, которому соот­ ветствует направление на цельАД.

2. Допустимая частота вращения антенны РЛС круго­ вого обзора может быть определена на основе разных крите­ риев. Простейший из них основан на условии получения слитного растра на экране ИКО.

Угол между соседними радиусами развертки равен углу поворота антенны за период повторения импульсов и состав-

24

ляет (в градусах)

0;=пАтп*-=^-т п,

где Пд — угловая скорость вращения антенны, 7с, а Та — период ее вращения, с.

Так как частота вращения антенны (мин-1)

Wp = 4000, т. е. число радиусов развертки достаточно ве­ лико.

.Так как каждая точка развертки одновременно участву­ ет в двух равномерных движениях — по прямой и по окруж­ ности, то радиусы развертки оказываются несколько иск­ ривленными, образуя начальный участок спирали Архиме­ да. Однако учитывая, что Тп> И А/360°, углы 0Р оказываются достаточно малыми, так что обычно наблюдается слитный растр, в котором искривление отдельных радиусов незамет­ но. Угол между соседними радиусами, при котором еще со­ храняется их перекрытие на краю экрана,

где dn — диаметр сфокусированного пятна ЭЛТ, а гшк — длина шкалы дальности вдоль радиуса экрана.

С помощью формулы (1.2.3) находим, что для этого требуется частота вращения антенны (мин-1)

фокусировки современных ЭЛТ, неравенство (1.2.6) не вы­ полняется. Тогда на больших дальностях у края экрана от­ метка цели расслаивается. Чтобы исключить непривычный характер изображения цели, оператор может немного рас­ фокусировать луч.

25

Другой критерий определения допустимой частоты вра­ щения антенны основан на получении достаточного числа импульсов, отраженных от цели за время ее облучения. В дальнейшем (гл. 4) будет показана связь этого числа с важ­ ными техническими параметрами РЛС — вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.

При постоянной частоте вращения антенны время облу­ чения цели 7\)бл составляет такую же часть периода враще­ ния ТА, какую соответствующая ширина луча в азимуталь­ ной плоскости 0р составляет от 360°, т. е.

Общее число импульсов, отраженных от цели за время облучения,

N = Тобл/Та = Тобл^п = ГА0|Г п/360°. (1.2.9)

Что касается времени обзора (в пределах 360°), равного периоду вращения антенны, то из (1.2.9) имеем

Если теперь ограничить частоту повторения импульсов Гп условием однозначности определения дальности, т. е. F п <С c/2Dmax» ТО

Таким образом, частота вращения антенны п А в РЛС кру­ гового обзора, а следовательно, скорость вращения радиуса развертки дальности в ИКО ограничена. Чем больше даль­ ность, тем меньше допустимая скорость вращения и тем продолжительнее требуемое время обзора.

1.3. ВИЗУАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ РЛС КРУГОВОГО ОБЗОРА

1.Характеристика ЭЛТ, используемых в индикаторах

сяркостной отметкой. Ниже рассмотрены лишь некоторые

вопросы визуального отображения радиолокационной ин­ формации, необходимые для лучшего понимания дальней­ шего материала. Сведения о более современных ЭЛТ будут даны в гл. 12,

28

В индикаторах с яркостной отметкой обычно применя­ ются ЭЛТ с магнитным управлением и фокусировкой. Дело в том, что магнитные линзы, размещаемые снаружи горлови­ ны трубки, имеют сравнительно большой диаметр, что обес­ печивает уменьшение диаметра светового пятна на экране. Кроме того, в таких ЭЛТ допустимы большие диаметры лу­ ча (до фокусировки), чем в электростатических линзах, что дает большую яркость при прочих равных условиях.

Размер сфокусированного пятна зависит от тока луча И характеристик люминофора. Минимальный размер пятна в ЭЛТ с магнитной фокусиров­ кой при низких уровнях све­ товой энергии 4п=0,025...

0,05 мм для однослойных эк­ ранов. В двухслойных экра­ нах ЭЛТ, широко применяв­

на диаметр).

Для ЭЛТ с магнитным управлением, имеющих двухслой­ ный экран, фф = 300...600 (при однослойном экране извест­ ны ЭЛТ с Рф = 6 000 и выше), а для ЭЛТ с электростати­ ческим управлением фф = 150 ...250.

ЭЛТ с магнитным управлением характеризуется более сильной, чем электростатические, зависимостью яркости от управляющего напряжения (приблизительно по кубическо­ му закону), что позволяет получить более высокую контра­ стность изображения. Яркостная характеристика такой ЭЛТ (рис. 1.8) имеет два пороговых уровня: нижний, определяе­ мый яркостью фона Вф, создаваемой внутренними шумами и яркостью окружающего освещения, и верхний Втах, определяемый расфокусировкой при большой плотности то-

27

ка электронного луча. Заметим, что яркость окружающего освещения изменяется в широких пределах. Она меньше 30 кд/м2 в отгороженном отсеке или ночью и достигает 3 X X 10‘ кд/м2, днем. Яркость пятна в момент возбуждения мо­ жет достигать даже 1000 кд/м2, однако средняя яркость мала и составляет лишь несколько кандел на 1 м2. Яркостная характеристика определяет контрастность радиолокацион­ ного изображения на экране как /Сэ = (Вс — £?ф)/£?ф, где

различимым для глаза оператора изменением яркости экрана относительно яркости фона. Динамический диапа­

как глаз различает две смежные градации яркости (полуто­ на), если они различаются по световой энергии на 3 дБ, то число передаваемых градаций 4...7 (заметим, что при изме­ нении управляющего напряжения от полной отсечки до ну­ ля обеспечивается не менее 10 полутонов).

При повышении уровня окружающего освещения мини­ мальный пороговый уровень возрастает. Для предотвраще­ ния пропадания слабых сигналов необходимо изменять начальное смещение ЭЛТ, что, однако, приводит к сниже­ нию динамического диапазона. Чтобы избежать расфоку­ сировки за счет действия сильных сигналов, сигнал с выхода приемника предварительно ограничивается по максимуму.

В РЛС кругового обзора свечение экрана ЭЛТ должно сохраняться по крайней мере в течение одного оборота антен­ ны. С другой стороны, для обеспечения наблюдения смены обстановки желательно, чтобы свечение не сохранилось слишком долго. Практически требуемая длительность после­ свечения составляет несколько секунд.

Яркость свечения после возбуждения для многих люминофоров спадает по экспоненциальному закону (воз­

постоянная времени, причем обычно время послесвечения тп определяется как время спадания яркости до 1% от на­ чального значения, так что тп = 4,61 т.

В РЛС обычно применяется длительное (0, ...1 с) и очень длительное (> 1 с) послесвечение. До последнего времени для этого использовались двухслойные экраны. Дело В том, что большинство люминофоров, возбуждаемых в вакууме электронным лучом, имеют сравнительно малое время после­ свечения. Вместе с тем кристаллы, способные давать дли­

28

тельное свечение, возбуждаются синим излучением видимо­ го света и ближайшим к нему ультрафиолетовым. Поэтому стекло колбы ЭЛТ покрывают слоем, обладающим длитель­ ным послесвечением (обычно цинк — кадмий — сульфид, активированный медью), который светится желто-зеленым ■цветом, на этот слой наносят люминофор, имеющий синее свечение и возбуждаемый электронным лучом (например, цинк — сульфид, активированный серебром). Синее свече­ ние (время послесвечения 10-2 ...10-3с) возбуждает в пер­ вом слое длительное послесвечение. Для ограничения види­ мости синей составляющей (которая должна составлять -5...7% от общей яркости) экран закрывают оранжевым све­ тофильтром. Известны также однослойные люминофоры с длительным послесвечением (например, калий—магний — фторид), имеющие меньшее рассеяние света, чем двухслой­ ные, но обладающие меньшей долговечностью.

При воздействии на управляющий электрод положитель­ ного скачка напряжения происходит разгорание свечения экрана. Так как для возникновения люминесценции тре­ буется некоторый запас энергии, вначале (примерно 2 мкс) скорость нарастания яркости увеличивается. Далее (при­ мерно до 100 мкс) яркость возрастает по линейному закону. Примерно через 10 мс наступает насыщение экрана. Из-за малой длительности импульсов, используемых в радиолока­ ции, яркость в процессе разгорания при действии одиночного импульса сравнительно мала. Однако яркость возрастает при воздействии, пачки импульсов вследствие явления на­ копления. Глаз обладает инерционностью восприятия свето­ вых раздражений и световой памятью (в среднем около 0,1 с). В этом смысле его действие подобно действию интегри­ рующей цепи. Поэтому при достаточно высокой частоте пульсаций яркости глаз воспринимает среднее значение яркости (закон Тальбота).

Рассмотрим действие последовательности импульсов (рис. 1.9). Пусть смещение пятна за время послесвечения, вызванное движением антенны и цели, не превышает долей диаметра пятна. Целесообразно несколько идеализировать процесс, считая, что общее приращение яркости за счет на­ копления равно сумме приращений яркости от действия каждого из предыдущих импульсов, причем постоянная вре­ мени послесвечения не зависит от уровня предшествующего возбуждения экрана. Таким образом, достаточно просумми­ ровать смещенные на период повторения Та функции изме­ нения яркости послесвечения от каждого импульса.

29