Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

вывод формулы (1.6.22)1

ая(О)=-^«0,ЗДОд. (8.4.4)

2Д/3

Для того чтобы осталась только погрешность конца отсчета, следует согласовать положение счетных импульсов и импульса синхронизатора (пунктир на рис. 8.13, а). Как

видно из рис. 8.13,6, действительное расстояние всегда

Рис. 8.14. Цифровой съем дальности до многих целей

больше измеренного. Для того чтобы погрешности имели разный знак, можно задержать импульс запуска передатчи­ ка на половину периода Тс/2.

2" > Йтах/Дйд. Например, Dmax — 200 км и Дй д = 20 м, 2Л — 10\ откуда п — 14.

Устройство, показанное на рис. 8.13, а, позволяет за

период повторения зондирующих импульсов измерить даль­ ность только до одной цели, так как в момент прихода сиг­ нального импульса цели поступление счетных импульсов на счетчик прекращается. Такое же действие может оказать помеха. Этот недостаток устраняется в схеме, показанной на рис. 8.14. Здесь импульс синхронизатора запускает ге­ нератор строба, который на время, равное 2Dmax/c, отпира­ ет каскад совпадения для прохождения счетных импульсов. После окончания строба счет прекращается и двоичный счетчик возвращается в исходное состояние. Считывание

430

текущей дальности происходит в момент поступления им­ пульса цели на генератор импульсов считывания. Этот ге­ нератор представляет собой комбинацию триггера и каска­ да совпадения. Импульсы цели проходят в счетчик на счи­ тывание лишь по окончании переходных процессов в триг­ герах счетчиков. Для этого импульс цели запускает триг­ гер, импульс которого совпадает со счетными лишь после задержки в ЛЗ на время, равное длительности переходных процессов тп. Импульс на выходе каскада совпадения ге­ нератора импульсов считывания переводит его триггер в

Импульс цели*„Стоп

Г

4^4^ J

Рис. 8.15. Нониусный метод„Стоп"нониусного генератора____ _JL__

измерения дальности

исходное состояние и одновременно воздействует на каска­ ды совпадения счетчика, который выдает число, соответст­ вующее дальности до цели. Это число в'двоичном коде мо­ жет поступить в блок памяти ЭВМ. При этом процесс счета не прекращается и с приходом другого импульса цели вы­ дается другое значение дальности.

2. Нониусный метод. Для уменьшения ошибки конца счета tK применяется нониусный метод, основанный на ис­ пользовании дополнительной точной шкалы. На рис. 8.15 показаны импульсы цели «стоп» и серия счетных импуль­ сов. Импульс «стоп» запускает нониусный генератор, пери­ од колебаний которого Тп несколько отличается от периода счетных импульсов Тс. Пусть Тн < Тс. Импульсы нониусного генератора прекращаются в момент совпадения счет­ ного и нониусного импульсов. Такое совпадение наступает при выполнении условия tK = tn (Тс — Тк), где m — це­ лое число, фиксируемое по номеру нониусного импульса,

В этом методе величина 7К измеряется с точностью до ДТ — Тс — Ти. Однако с уменьшением этой разности по­ вышаются требования к стабильности генераторов и удли­ няется время отсчета. При этом методе может также за% метно ухудшиться разрешение по дальности.

431

3. Рециркуляционный метод измерения малых временных ингер» аалов. В некоторых случаях требуется измерять малые расстояния с высокой точностью. Разумеется, точность в любых случаях не мо­ жет превышать потенциальную. Одним из способов преодоления труд­ ностей непосредственного измерения малых интервалов (например, при D = 1,5 м время запаздывания t3 = 10 нс) является увеличе­

ние интервала измерения путем его многократного повторения. Для этой цели каждый зондирующий импульс вырабатывается в момент прихода очередного отраженного импульса. Таким образом, по ли­ нии передатчик—передающая антенна—цель—приемная антенна

Рис. 8.16. Съем азимута с помощью счетных импульсов

приемник—передатчик происходит непрерывная циркуляция им­ пульсов, период повторения которых ТП = 2D/с + Тао + /ср, так

что частота повторения

Fa =* (2D/c+Тз0-f-Тср)“1, - (8.4.5)

где Тзо — специальная внутренняя задержка, ограничивающая ча­ стоту повторения fjj при и == 0, a tcp — время срабатывания пере­

датчика.

Определить дальность можно путем измерения интервала вре­ мени /УцТп — Nn(2D/c-[- Т30 + ^ср)» соответствующего известно­

му числу циркуляций. После деления на и исключения по­ стоянной задержки Т30 + fcp остается неизвестная дальность D.

При цифровом измерении временного интервала данный метод поз­ воляет уменьшить дискретность отсчета дальности без повышения частоты повторения счетных импульсов.

4. Съем углового положения цели. Для обеспечения инструментального съема угловых координат цели целе­ сообразно использовать цифровые методы. На рис. 8.16 показана структурная схема съема угловой координаты, например азимута, в РЛС кругового обзора. Азимут опреде­ ляется по углу поворота антенны относительно некоторого начального положения до момента прихода сигнала цели в виде пачки импульсов. В связи с этим необходимо иметь преобразователь угла поворота антенны в число, устройст­ во фиксации положения пачки (§ 8.2, п. 2) и вычислитель азимута цели. В целом такой принцип измерения азимута

432

не отличается от измерения дальности методом счета чис­ ла импульсов.

Рассмотрим преобразователь угла поворота антенны в двоичный код. В. качестве датчиков могут использоваться электронно-оптический дисковый преобразователь, и маг­ нитный барабан, индукционные датчйки и т. д. На рис. 8.17, а показан дисковый преобразователь с прорезя-

Рис. 8.17. Преобразование угла поворота антенны в двоичный код

ми. По одну сторону диска размещается источник света, соз­ дающий узкий луч, засвечивающий только одну прорезь. По другую сторону диска находится фотодетектор, преоб­ разующий световые импульсы, проникающие через проре­ зи при вращении диска в электрические импульсы, подсчи­ тываемые счетчиком. Для фиксации начала отсчета и сброса показаний счетчика в момент прохода через нуль в диске де­ лается еще одна прорезь и устанавливается дополнительный фотодетектор сброса. Аналогично устроены и другие преоб­ разователи. Например,в случае магнитного барабана на бо­

433

новой поверхности его нанесены магнитные «риски». При вращении в считывающей головке наводятся соответствую­ щие импульсы. Имеется также специальная магнитная го­ ловка для считывания нуля. Схема преобразования азиму­ та в число, показанная на рис. 8.17, «, ничем не отличается от схемы преобразования дальности в число на рис. 8.14.

Угловое смещение между прорезями Дрд (рис. 8.17, а) приводит к дискретности отсчета (инструментальная по­ грешность, вызванная дискретностью). Так как действи­ тельное значение можно считать равновероятным в преде­ лах интервала дискретности, то среднее квадратическое зна­ чение соответствующей ошибки

(8.4.6)

2 УЗ

Дикретность Д(Зд следует выбирать так, чтобы величи­ на од (Р) была в несколько раз (например, в два-три) мень­ ше, чем среднее квадратическое значение результирующей погрешности, вызываемой другими факторами. С помощью счетчиков подсчитывается число импульсов фотодетектора Л/р = р/Дрд, которое пропорционально углу поворота ан­ тенны р, отсчитываемому относительно некоторого исход­ ного положения.

Более удобным и надежным электронно-оптическим пре­ образователем является позиционный, в котором кодовая комбинация углов наносится на всем диске в виде прозрач­ ных и непрозрачных участков (рис. 8.17, б). По одну сто­ рону диска располагается импульсный источник света с узкой щелью, питаемый сигналом цели (огибающая пач­ ки), по другую — фотодетекторы, число которых равно чис­ лу разрядов. В момент вспышки происходит считывание кода, соответствующего угловому положению цели.

Следует отметить, что когда перед щелью источника све­ та располагается граница кодовых комбинаций, возможна ошибка в любом разряде считываемой комбинации. Возьмем например, числа в двоичной системе ООО; 001; 010; ОН; 100; 101, ..., соответствующие числам десятичной системы 0, 1,2, 3, 4, 5, ... Достаточно ошибки в единице высшего разряда, чтобы число 5, соответствующее комбинации 101, превратилось в комбинацию 001, соответствующую 1, т. е. изменилось на четыре единицы. В связи с этим для считы­ вания угловой координаты следует использовать цикли­ ческий код. При этом комбинации имеют вид 000; 001; ОН; 010; НО; 111; 101, ..., т. е. числу 5 соответствует комбина­

434

ция 111. Так как у соседних чисел 4 и 6 первая цифра ком­ бинаций такая же, как у числа 5, то ошибка при повороте диска возможна только во второй и третьей цифрах. При этом число 111 переходит в НО или 101, т. е. в 4 или 6 (ме­ няется всего на единицу). Чтобы обеспечить высокую точ­ ность, следует взять большее число разрядов в циклическом коде. Такой код нанесен на диск рис. 8.17, б. Для дальней­ шего использования полученного числа его следует вновь преобразовать в двоичный код. В таком виде его можно по­ дать в устройство памяти ЭВМ, сопряженной с данной РЛС.

Глава 9

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР ПРОСТРАНСТВА

9.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЗОРА

1. Параллельный многолучевой обзор. Для обнару­ жения целей и определения их координат необходимо произвести радиолокационный обзор по дальности, угло­ вым координатам, а также по скорости. Процесс обзора заключается в том, что в каждый разрешаемый объем зо­ ны обзора должен быть периодически послан зондирующий сигнал. При обзоре по дальности это происходит одновре­ менно с распространением электромагнитных волн, излу­ чаемых РЛС. Минимальное требуемое время обзора при заданной максимальной дальности очень мало даже для самых удаленных земных целей. Оно, как известно, равно

Для реализации на практике потенциальных возможно­ стей РЛС, которая обычно рассчитывается на обработку пачки из А импульсов, в качестве минимального времени обзора по дальности следует принять (при импульсах оди­ наковой амплитуды) величину

Тобз1 ^зшах “Ь (N 1)^п NTп — N2.DшахМ*

(9.1.2)

Это время сравнительно мало. В дальнейшем изложении речь пойдет лишь об обзоре по угловым координатам. Од­ новременный, или параллельный (многоканальный), обзор осуществляется многолучевой антенной системой, поэтому

435

этот вид обзора можно отнести к классу моноимпульсных. Обзор является практически мгновенным (9.1.2), однако при большом отношении Ф/ф, где Ф — телесный угол зоны обзора, а ф — телесный угол луча антенны РЛС (т. е. при высоком угловом разрешении), число лучей антенной систе­ мы оказывается весьма значительным. Вместе с тем успехи в электрическом управлении лучом антенны облегчают реа­ лизацию многолучевых систем. Они имеют значение для трехкоординатных РЛС, где кроме дальности и азимута требуется еще определить высоту (угол места).

2. Последовательный однолучевой обзор. Последова­ тельное однолучевое сканирование* может производиться достаточно узким иглообразным или веерообразным лучом антенны и является одноканальным. Общее время после­ довательного однолучевого обзора

фс ф

где Ф — телесный угол зоны обзора, а ф — телесный угол луча.

Время Тоб-3 при Ф» ф может оказаться очень большим. Другой особенностью последовательного обзора является то, что облучение некоторой движущейся., точечной цели происходит не непрерывно, а дискретно с интервалом, рав­ ным периоду обзора Т0бз« Практически интервал дискрет­ ности можно определить из тактических соображений по допустимому изменению координат цели за каждый пери­ од обзора, например, чтобы отметка цели на экране пере­ мещалась плавно. Если разложить скорость цели в ази­ мутальной плоскости на радиальную ицр и тангенциальную ицт составляющие, то за период обзора дальность изменя­ ется на ЦцрТобз, а азимут на vnTTo6a/D. Определяя размеры

Рассмотрим основные методы однолучевого обзора. При строчном обзоре луч антенны (обычно иглообразный)»

* От английского слова scanning — развертывание.

436

характеризуемый в горизонтальной и вертикальной плос­ костях шириной диаграммы направленности 0р и 0е, по­ следовательно строка за строкой облучает зону обзора, ха­ рактеризуемую углами Фр и Фе (рис. 9.1, а). Для получе­ ния от одной цели заданного числа У отраженных импуль­ сов необходимо, чтобы угловая скорость движения луча по

Если число строк в пределах зоны обзора z = 1, т. е. 0е — фр, то при Фр — 360° получим уже знакомую форму­ лу (1.2.10) для времени кругового обзора. Таким образом, круговой обзор являемся просто частным случаем строчно­ го. Другим частным случаем является секторный обзор, когда Фр < 360°, и минимальное время обзора

Однако при секторном обзоре, осуществляемом методом механического сканирования, т. е. перемещением всей ан­ тенны, необходимо произвести реверс мехайизма вращения антенны. Во избежание динамических ударов целесообраз­ но, чтобы зависимость угла поворота 0 от времени была бо­ лее плавной, например гармонической (рис. 9.1, б). Тог­ да время обзора возрастет по сравнению со случаем ли­ нейного изменения 0 в ур = л/2 раз, т. е.

(рис. 9.1, в). При этом переход со строки на строку произ­ водится постепенно путем подъема луча за один оборот в горизонтальной плоскости на угол ©е. При подходе к верх­ ней границе зоны обзора вертикальная угловая скорость должна быть снижена, что приводит к перекрытию крайних строк и, следовательно, к излишним затратам времени. Так как вертикальная скорость обычно меньше горизонталь­

437

характер (рис. 9.1, г). Так как сечение луча не является идеально прямоугольным, то шаг развертывания, т. е. ин­ тервал между соседними строками ДФе, должен выбирать­ ся из условия достаточно малой вероятности пропуска че-

Рис. 9.1. Однолучевой обзор

ли, расположенной с краю строки. Обычно принимают ДФе = (0,5 ...0,8)0е» т. е. время строчного обзора

в 1,2—2 раза больше полученного по формуле (9.1.9). Строчный метод обзора используется как при иглооб­

разном, так и при веерообразном луче. При поиске целей в относительно узком секторе, ось которого, например, сов­ падает с осью самолета, может применяться спиральный метод обзора с помощью иглообразного луча. Частным слу­

438

чаем спирального обзора является рассмотренный выше ко­ нический обзор.

При последовательном обзоре может быть использован последовательный анализ (см. § 5.4, п. 6), техническая реа­ лизация которого связана с освоением электрического ска­ нирования луча антенны.

9.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ЛУЧА АНТЕННЫ

1. Фазовое управление антенной решеткой. До послед­ него времени для осуществления строчного метода обзора (в частности, кругового) применялось перемещение всей

Рис. 9.2. Фазовое управление антенной решеткой

антенны с помощью антенного привода (движение по стро­ ке), а также смещение облучателя из точки фокуса зер­ кальной антенны (переход со строки на строку). Антенные системы некоторых наземных РЛС оказываются сложными стационарными сооружениями. Электрическое сканирова­ ние луча антенны привлекает возможностью избежать пе­ ремещения громоздких механических конструкций и боль­ шей гибкостью.

На рис. 9.2, а показаны линейная решетка из п излуча­ телей, расположенных на расстоянии b друг от друга, ко­ торые питаются с постоянной разностью фаз <р. Направле­

439