книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

—обеспечение такой структуры отклика радиотехнической цепи, согласованной с ожидаемом радиосигналом, при которой удается реа­ лизовать заданные точности измерения координат радиолокационных целей при сохранении однозначности измерения в пределах допусти­ мого изменения координат;

—возможность инженерной реализации радиотехнических цепей,

согласованных с сигналом по условию (13.3).

Структура радиолокационных сигналов, удовлетворяющих этим требованиям, выявляется в процессе анализа отклика радиотехни­ ческой цепи, согласованной с ожидаемым радиосигналом по условию (13.3). В радиолокационных приемниках это условие достаточно часто реализуется при использовании линейных радиотехнических цепей с постоянными параметрами. В этом случае выражение (13.3) можно

С учетом (13.17) для сигнальной составляющей отклика на выходе

Зто выражение при ав (t—т) = 0, рассматриваемое как функция не­ известных параметров радиосигнала s (0, называют функцией неопре­ деленности, а ее график диаграммой неопределенности. Эта функция определяет точность и разрешающую способность при измерении с помощью корреляционного приемника таких радиолокационных параметров, как дальность и скорость цели. Задавая определенные требования к структуре диаграммы неопределенности, например точ­ ность измерения параметров траектории движения цели, можно найти структуру радиолокационных сигналов, применение которых позво­ ляет выполнить эти требования. Таким образом были найдены неко­ торые виды радиолокационных сигналов [10, 11], форма диаграммы неопределенности которых имеет заданную конфигурацию, а схемы их приемников пригодны для инженерной реализации.

Из этих сигналов широкое применение получили: частотно-моду- лированные непрерывные радиосигналы, импульсные сигналы с гар­ моническим заполнением, импульсные сигналы с частотной модуляцией внутри импульса. В последние годы все более широкое распространение получают псевдослучайные шумоподобные сигналы [12]. Эти сигналы представяют собой последовательность импульсов, следующих друг за другом с одинаковым интервалом. В общем случае импульсы могут отличаться амплитудами и начальными фазами. Чаще всего приме­ няют фазоманипулированные сигналы с постоянными амплитудами.

Такие сигналы имеют практически постоянную спектральную плотность в сравнительно широком диапазоне частот, определяемом длительностью одного импульса, а их использование позволяет полу­ чить практически любой априори заданный вид функции неопределен­ ности. Применение фазоманипулированных сигналов в радиолокацион-

500

ных системах, кроме увеличения точности измерения параметров целей, обеспечило взаимодействие высокочувствительной радиоэлектронной аппаратуры с быстродействующими цифровыми вычислительными ма­ шинами, что в свою очередь привело к высокому уровню автоматизации процесса передачи, приема и обработки радиолокационной информации.

Заканчивая краткий обзор возможных видов радиолокационных сигналов, следует отметить функциональное взаимодействие прием­ ника и передатчика любой радиолокационной системы при формиро­ вании и обработке таких сигналов.

Приемники радиолокационных систем с частотной модуляцией

Врадиолокационных системах с непрерывным излучением для измерения расстояния до отражающего объекта может быть примене­ на частотная модуляция гармонического колебания. Устройства такого типа применяют часто как высотомеры малых высот. Типовая схема радиовысотомера.с частотной модуляцией приведена на рис. 13.2.

Вэтой схеме сигнал модулятора М подается на вход частотномодулированного передатчика П с мощностью 0,5—1 Вт. Передаю­ щая антенна излучает в направлении отражающей поверхности ОП ЧМ колебания. Частота обычно модулируется по периодическому пило­ образному закону, поэтому мгновенную частоту /ф колебаний, излу­

чаемых передатчиком, можно представить выражением f x — fo (1 ± у0. где fg — средняя частота передатчика; v — коэффициент, характе­ ризующий скорость изменения частоты. Отраженный сигнал с мгно­

венной частотой /з — /о И ± у (t — 2R/c)]t где R — расстояние до отражающей поверхности, с — скорость распространения электро­ магнитных волн в вакууме, улавливается приемной антенной и через входное устройство ВУ поступает на балансный смеситель БСМ, на который одновременно подается часть напряжения сигнала от передат­ чика. На выходе смесителя образуется сигнал биений с частотой /, рав­ ной разности частот принимаемого и излучаемого радиосигналов, т. е. f = \ f 2 — f j | = 2 f 0 Rv/c. Эта частота, пропорциональная величине расстояния до отражающей поверхности, обычно лежит в диапазоне низких частот. Поэтому этот сигнал усиливается УНЧ, ограничивает­ ся по амплитуде ограничителем ОГР и поступает на измеритель час­ тоты ИЧ, выход которого связан с индикатором расстояния до отра­ жающей поверхности И.

501

В этой схеме применение балансного смесителя и УНЧ позволяет приближенно реализовать условие согласования (13.3). Действительно, в полосе частот принимаемого сигнала входное устройство практически не влияет на его структуру. Поэтому колебание х (t) на входе баланс­ ного смесителя в общем случае будет содержать принятый сигнал, ис­ каженный некоторой помехой. Колебание г (/) на выходе УНЧ за период модуляции частоты передатчика можно представить в виде

' z (0 = § k{TM— т) иа (т) х (т) еах dT,

о

где операция, выполняемая балансным смесителем, представлена в ви­ де операции умножения колебания передатчика ип на принимаемый сигнал х (х), a k (Тм—т) еах является импульсной характеристикой УНЧ, полоса пропускания которого пропорциональна величине а. Произведение h (Гм, т)—к ( Т м—т) иа (т) еах можно рассматривать как импульсную характеристику некоторой эквивалентной радиотехни­ ческой цепи. Использование излученного сигнала передатчика иа (т) для формирования этой импульсной характеристики позволяет реали­ зовать условие (13.3) при R x 0 и узкополосном УНЧ. При R > 0 воз­ никает рассогласование, которое, по существу, и измеряется в схеме рассматриваемого радиовысотомера.

Импульсную характеристику УНЧ выбирают так, чтобы обес­ печить согласование с законом изменения амплитуды принимаемых сигналов. Для самолетных высотомеров э. д. с. отраженного сигнала в антенне приемника изменяется в очень широких пределах в зависи­ мости от высоты полета. Соответственно изменяется и напряжение разностной частоты на выходе балансного смесителя. При малой вы­ соте напряжение имеет наибольшую величину и частота получается наименьшей. При увеличении высоты напряжение уменьшается, а час­ тота увеличивается. Для того чтобы на входе ограничителя отношение сигнал/шум оставалось приблизительно постоянным, амплитудночастотная характёристика УНЧ должна иметь подъем в области высо­ ких частот. Для улучшения отношения сигнал/шум полоса пропуска­ ния должна быть возможно уже, поэтому для частот, превышающих значение, соответствующее максимальной дальности действия радио­ высотомера, должен обеспечиваться резкий спад частотной характе­ ристики УНЧ. Такая характеристика получается при применении в усилителе малой разделительной емкости и частотно-зависимой отрицательной обратной связи. Таким образом априорная информация о сигнале в рассмотренной системе использована достаточно полно.

Радиовысотомеры рассмотренного типа позволяют с высокой точ­ ностью измерять расстояние в диапазоне 0—1500 м.

Увеличение максимального расстояния до отражающей поверх­ ности, которое должно измеряться таким радиолокатором, приводит к необходимости увеличения его энергетического потенциала. Это в первую очередь связано с необходимостью повышения мощности его передатчика. Повышение мощности непрерывного излучения в ра­ диолокаторах с частотной модуляцией приводит к увеличению пря-

502

мого попадания излучаемого сигнала в приемную антенну радиолока­ тора. Сильная связь между антеннами вызывает перегрузку приемника сильным сигналом передатчика. Слабые сигналы, отраженные от удаленных целен, маскируются и создается ложное впечатление о близ­ ко расположенных целях. При близко расположенных передающей н приемной антеннах практически не удается уменьшить эту связь больше чем на 100 дБ. Поэтому при необходимости точного измерения координат целей, находящихся на расстояниях, превышающих не­ сколько километров, используют радиолокационные системы, в кото­ рых либо приемная и передающая антенны разнесены друг от друга, либо используются импульсные радиолокационные сигналы, кото­ рые позволяют работу передатчика и приемника разнести во времени.

Приемники импульсных радиолокационных систем

Принцип д с й с т е и я импульсной радиолокационной станции состоит в следующем. Передатчик излучает в направлении цели короткие вы­ сокочастотные импульсы длительностью /„ с периодом повторения Т. Для целей, радиальные размеры которых невелики, длительность отраженных импульсов примерно равна длительности импульсов пере­ датчика. Отраженные импульсы приходят на вход приемника со сдви­ гом во времени, равным времени распространения электромагнитных

кууме. Для определения дальности до пели достаточно измерить ин­ тервал времени At между моментами излучения и приема импульсов.

Угловое направление на цель определяется с помощью узкой диаг­ раммы направленности антенны. В различных радиолокационных системах используют разные способы формирования требуемого вида диаграммы направленности. Широко-распространены антенны пара­ болического типа, вращение которых позволяет ориентировать главный лепесток диаграммы направленности в требуемом направлении.

Впоследние годы все большее распространение получают антенны

сэлектронным управлением диаграммой направленности. В этом случае отсутствуют сложные и громоздкие механические устройства перемещения антенны в пространстве. Луч такой антенны может пере­ мещаться по любому закону. Работа радиолокационных систем с элект­ ронным управлением луча основана на свойствах миоговг.браторпых

антенных систем.

Из теории антенн известно, что форма диаграммы направленности и направление ее главного лепестка определяются амплитудами и фа­ зами токов, текущих в отдельных элементах этой антенны. Поэтому если выполнить антенну в виде I отдельных элементов, показанных на рис. 13.3, каждый из которых через свой фазовращатель Лер и усили­ тель К связан с общим сумматором 2, то можно, управляя этими фазо­ вращателями и усилителями, сформировать требуемый вид диаграммы направленности, а также обеспечить перемещение ее главного лепестка или нескольких таких лепестков в требуемых направлениях. Сигналы от отдельных элементов такой антенны могут быть просуммированы

503

либо на частоте принимаемого сигнала, либо после преобразования в каждом канале на промежуточной частоте.

При использовании таких антенн схема приемника, как правило, усложняется и содержит в высокочастотной части I идентичных ка­ налов.

С учетом необходимости получения достаточно широкой полосы пропускания импульсного приемника 0,5—5 МГц и узких диаграмм

кационной системы, которая работает следующим образом. Запу­

Рис. 13.4

хронизирующий импульс поступает на регистрирующее устройство РУ. Поскольку при использовании импульсных сигналов работа пере­ датчика и приемника разнесена во времени, то в таких радиолокаторах используют общую с передатчиком антенну А. Наличие общей антен­ ны приводит к необходимости применения антенного переключателя, автоматически переключающего антенну с передачи на прием и об-

504

ратно. Так как интервал времени между излучаемым и принимаемым импульсами весьма мал, то применение в качестве антенного переклю­ чателя механических коммутаторов оказывается невозможным, поэто­ му применяют электронные переключатели с газовыми разрядниками, ферритовые или полупроводниковые переключатели.

В момент излучения мощного импульса разрядники Р х и Р 2 про­ биваются, обеспечивая этим большое входное сопротивление четверть­ волновых отрезков в точках а и Ь. Тогда энергия радиоимпульса про­ ходит в антенну, практически не ответвляясь в приемник. После окон­ чания импульса передатчика разряд быстро прекращается, поэтому для принимаемых импульсов сопротивление в точке а становится ма­ лым, а входное сопротивление линии, ведущей от точки b к передатчи­ ку — большим. Таким образом энергия принимаемых импульсов про­ ходит в приемник, практически не ответвляясь в передатчик.

Особенно важно, чтобы энергия передатчика не просачивалась

вприемник во время излучения импульса, так как в противном случае может выйти из строя малошумящий усилитель высокой частоты МШ УРЧ или произойти выгорание диодов в смесителе СМХ, если МШ УРЧ

всхеме радиолокатора отсутствует. Малошумящие усилители, кото­ рые были рассмотрены в гл. 4, используют для обеспечения высокой чувствительности радиолокационных станций. Как правило, такие усилители устанавливают вблизи антенной системы, а в случае ис­ пользования многоэлементных антенных систем (см. рис. 13.3) они входят в их состав в виде отдельных модулей.

На смеситель СМХподается напряжение от гетеродина Г. Усилитель промежуточной частоты УПЧг согласуется по полосе с принимаемым импульсом. Например, если полоса пятикаскадного усилителя выбра­ на из условия

П = 0,67/Уи,

где t„ — длительность прямоугольного импульса, то отношение мак­ симального значения сигнал/шум по напряжению на выходе такого усилителя к отношению сигнал/шум на выходе цепи, согласованной по условию (13.17), равно 0,94 [13]. Таким образом, в этом случае правильный выбор полосы пропускания УПЧХ практически эквива­ лентен выполнению условия согласования (13.17) для отдельного импульса.

Сигнал с выхода УПЧХпоступает на вход амплитудного детектора АД и далее на регистрирующее устройство РУ, в котором фиксируется промежуток времени At между моментами излучения и приема им­ пульса. В это устройство, как правило, входят цепи накопления импульсных сигналов, что равносильно учету априорной информации о периоде повторения импульсов передатчика.

Для автоподстройки частоты гетеродина Г используются импульсы передатчика, которые через ослабитель ОС поступают на дополнитель­ ный смеситель СМ2. Напряжение промежуточной частоты с выхода этого смесителя, усиленное УПЧ2, поступает в дискриминатор Д. Выходное напряжение дискриминатора управляет работой устройства

505

поиска и подстройки частоты гетеродина УПП. Такая схема обеспе­ чивает высокое качество подстройки частоты гетеродина в соответст­ вии с частотой излучаемого импульса (см. стр. 370).

В импульсных радиолокационных системах часто применяют специальные меры защиты от мешающего действия некоторых видов помех. Эти меры основаны на более тщательном согласовании схемы приемника с априорной информацией о структуре отраженных сиг­

приемника в начале каждого периода повторения импульсов и после­ дующее постепенное возрастание усиления до максимального значе­ ния. Поэтому интенсивные сигналы, отраженные от близко располо­ женных предметов, существенно ослабляются и не вызывают пере­ грузки приемника. Момент максимального усиления в приемнике сов­ падает с моментом прихода отраженных сигналов от удаленных объ­ ектов, поэтому хотя эти сигналы имеют малую интенсивность, усиле­ ние приемника оказывается достаточным для их уверенной регист­ рации.

В случае регистрации движущихся объектов для ослабления ме­ шающего влияния отражений от местных предметов применяют методы селекции по скорости, которые также основаны на более полном со­ гласовании структуры отраженных сигналов со структурой и пара­ метрами цепей в приемнике.

Сдвиг фаз между колебанием передатчика и колебанием, пришед­ шим на вход приемника после отражения от какой-то цели, находящей­ ся от радиолокатора на расстоянии R, будет равен Дер = (о0 2R/c. При движении цели, т. е. когда R = R (/), разность фаз Дер меняется во времени и тем быстрее, чем больше радиальная скорость цели. Таким образом, измеряя величину Дер, можно судить о радиальной скорости объекта, а используя априорную информацию о величине разности скоростей полезного и мешающего объектов, можно выделить полез­ ный сигнал. Существуют различные варианты схем селекции сигналов, отраженных от движущихся целей, которые подробно рассматривают­ ся в радиолокации [14].

Рассмотренные приемники применяют в импульсных радиолока­ ционных станциях для измерения координат целей на расстояниях Юэ-300 км. Увеличение максимального расстояния, на котором может работать импульсный радиолокатор, связано с преодолением некото­ рых трудностей, обусловленных структурой импульсных сигналов. Обсудим их.

При использовании импульсных радиосигналов с гармоническим заполнением внутри импульса, их длительность выбирают главным образом исходя из требований разрешения по дальности. Обычно она лежит в пределах t„ = 0,3э-3 мкс. Период повторения импульсов передатчика берут из условия однозначного измерения дальности до цели, т. е.

т > Д/макс = 2/?макс/с = 0,2 -ь 2 мс.

506.

Поэтому увеличение максимального расстояния, на котором произво­ дится обнаружение и измерение координат целей, связано с необходи­ мостью увеличения периода повторения. Средняя мощность Р Ср* излучаемая передатчиком импульсного радиолокатора за период пов­ торения, может быть определена по формуле

P e p = Р ,

где Ра — средняя мощность передатчика за время одного импульса. Импульсная мощность передатчика ограничена и ее повышение связано с преодолением существенных трудностей при проектирова­ нии радиолокационной системы. Таким образом, при увеличении пе­

максимальной дальности до цели, которая может быть измерена радио­ локатором. Это противоречие может быть разрешено увеличением дли­ тельности излучаемых импульсов t a. Однако увеличение длительности импульса приводит к необходимости решения двух задач.

Первая из них уже упоминалась в начале данного параграфа — это задача подавления прямого прохождения излучаемых импульсов передатчика на вход приемника. С увеличением длительности излу­ чаемых импульсов структура колебания передатчика приближается к структуре непрерывного колебания. В этом случае исключить влия­ ние передатчика на приемник можно соответствующим выбором диаг­ рамм направленности и пространственным разнесением приемной и передающей антенн. Обычно так и делают. В радиолокационных стан­ циях сверхдальнего обнаружения и измерения координат используют отдельные антенны для передачи и приема, которые разносят на не­ сколько километров.

Вторая задача связана с обеспечением необходимой разрешающей способности радиолокатора по дальности. Если отношение сигнал/шум достаточно велико на входе приемника, то разрешающая способность по дальности определяется длительностью импульса не на входе, а на выходе линейной части приемника. Поэтому увеличение длительности импульса передатчика не должно в общем случае влиять на разрешаю­ щую способность радиолокатора по дальности, что выполняется при соответствующем выборе структуры импульса передатчика.

Действительно, при приеме сигнала отклик линейных высокочас­ тотных цепей в приемнике, согласованных по условию (13.17), опре­ деляется формулой (13.18), которая при а в (t — т) = 0 представляет функцию неопределенности. Ширина основного максимума этой функ­

зовать радиосигналы с широким спектром. Расширение спектра зон­ дирующего импульсного сигнала в радиолокаторе осуществляют с по­

507

мощью внутриимпульсной модуляции. Нашли применение два вида модуляции гармонической несущей внутри импульса: линейная час­ тотная модуляция (ЛЧМ) и фазовая манипуляция (ФМ).

Таким образом, решение задачи увеличения максимального рас­ стояния до цели, па котором измеряют ее радиолокационные характе­ ристики, так же как и задачи увеличения помехоустойчивости радио­ технических систем (см. § 13.1), связано с переходом к применению радиосигналов со' сложной структурой, характеризуемой большими величинами базы В. Рассмотрим некоторые варианты схем обработки таких сигналов в радиолокационных системах.

Длинные модулированные импульсы на входе приемника могут быть преобразованы в короткие импульсы на выходе его линейной части (сжатие) с помощью различных устройств.

Действие этих устройств можно охаракте­ ризовать коэффициентом сжатия, который показывает, во сколько раз уменьшается длительность импульса на выходе линей­ ной части приемника по сравнению с его длительностью на входе.

При коэффициенте сжатия не более 10 для обработки ЛЧМ импульсов может быть применен УПЧ с последовательным соединением полосового фильтра, ампли­

тудно-частотная характеристика которого согласована с ампли­ тудным спектром ЛЧМ импульса, и фазового фильтра, имеющего равномерную амплитудную и квадратичную фазочастотную характе­ ристики. В качестве фазовых фильтров могут быть использованы ра­ диотехнические цепи, обладающие дисперсией, т. е. зависимостью фазы колебаний на выходе от частоты. В частности, для этих целей возможно применение каскадного включения звеньев неминимально­ фазовых цепей, каждое из которых представляет собой мостовую схему, показанную на рис. 13.5.

Амплитудно-частотная характеристика у таких звеньев равномер­ на в широком диапазоне частот, а требуемая фазочастотная характе­ ристика может быть подобрана комбинацией параметров индуктивно­ стей и емкостей отдельных звеньев [13]. Наличие рассогласований и искажений в отдельных звецьях приводит к значительному ухудшению результирующей характеристики такого УПЧ.

При коэффициенте сжатия более 10 наиболее целесообразно прак­ тически применение для фазового фильтра электронно-акустических цепей, обладающих дисперсионными свойствами. В качестве таких цепей обычно используют ультразвуковые линии задержки (УЛЗ), которые позволяют задерживать радиоимпульсы на значительное время. Для осуществления задержки электрических сигналов с по­ мощью УЛЗ необходимо электрическую энергию преобразовать в уль­ тразвуковую, а после операции задержки выполнить обратное пре­ образование. Такое преобразование осуществляют с помощью пьезо­ электрических или магнитострикционных преобразователей. Пьезо­ электрические преобразователи основаны на пьезоэлектрическом эф-

503

фекте, который заключается в растяжении или сжатии кристалла (на­ пример, кварца) под действием электрического поля. В магнитострикционных преобразователях используется магнитострикционный эффект — изменение размеров ферромагнитного материала под дей­ ствием магнитного поля.

Вмагнитострикционных УЛЗ в качестве звукопровода в основном используют никель, железо, железоникелевые сплавы. Максимальная рабочая частота для магнитострикционных линий задержки не пре­ вышает 3 МГц. Затухание в таких линиях определяется в основном преобразователями и составляет 45-Ч-75 дБ.

ВУЛЗ с пьезоэлектрическими преобразователями применяют плав­ леный кварц, специальные магниевые сплавы, монокристаллы кварца. Рабочая частота таких ли­

буемыми характеристиками фильтра, используют параллельное или последовательное включение дисперсионных цепей. При этом тре­ буемые значения коэффициента сжатия, а также полосы частот и дли­ тельности отклика могут быть получены при существенно отличаю­ щихся от требуемых параметрах дисперсионных цепей.

Как уже было отмечено, в последние годы в радиотехнических си­ стемах начали широко использовать фазоманипулированные сигналы. ФМ сигнал определяется следующим выражением:

/- 1

с таким сигналом, может быть описана импульсной функцией, пред­ ставляющей собой также ФМ сигнал, последовательность чередования фаз в котором соответствует коду, зеркальному по отношению к коду, примененному в сигнале. Такой импульсной характеристикой с хо­ рошим приближением обладает согласованный фильтр в виде много­ отводной линии задержки, схема которой приведена на рис. 13.6. Полная задержка равна длительности сигнала Т, а отводы следуют через интервалы, равные t„. В каждый из I отводов линии включен усилитель с коэффициентом усиления К. Сигналы всех отводов сум­ мируются в сумматоре 2, выход которого связан со входом выходного

£Э9