книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]
.pdfРЛС. Достоинство пассивной радиолокации — высокая скрытность действия. В условиях интенсивного развития техники противодействия радиолокаторам указанное до стоинство пассивной радиолокации приобретает особую важность.
Радиолокационные системы непрерывного излучения могут строиться как на принципах активной и полуак тивной, так и пассивной радиолокации.
Во всех случаях основой радиолокационного обнару жения объекта, определения его координат, параметров движения является радиолокационный сигнал.
От вида и параметров зондирующего (опорного) сиг нала зависят основные характеристики радиолокацион ной системы: дальность действия, точность определения координат и скорости объекта, разрешающая способ ность, т. е. объем и качество информации, которую мож но извлечь из радиолокационного сигнала. Прием отра женного (излученного) сигнала свидетельствует об обнаружении объекта, а фаза и частота позволяют опре делить дальность до него, для чего необходимо, чтобы излучаемые опорные колебания были промодулированы по фазе или частоте.
При перемещении объекта относительно РЛС (или наоборот) частота радиолокационного сигнала изменяет ся вследствие явления, получившего название эффекта Допплера. По величине этого допплеровского прираще ния частоты можно определить радиальную составляю щую относительной скорости. Следовательно, скорость объекта может быть определена при излучении с м о д у лированных колебаний.
В зависимости от требований, предъявляемых к си стеме, могут применяться разные методы определения координат и параметров движения объекта: фазовые — координаты цели определяются по фазе отраженного сигнала; частотные — по изменению частоты отражен ного сигнала; допплеровские, позволяющие определять скорость цели по сдвигу частоты из-за эффекта Доппле ра. В соответствии с этим радиолокационные системы подразделяют на фазовые, частотные и допплеровские.
По месту размещения аппаратуры радиолокационные средства непрерывного излучения зарубежные специа листы делят на бортовые (высотомеры, допплеровские навигационные системы) и наземные (системы обнару-
20
Жений целей и определения их координат, обеспечения ракетного, пушечного и минометного огня и др.)- В не которые комплексы систем непрерывного излучения вхо дит как наземная, так и бортовая аппаратура.
Ниже будут рассмотрены конкретные примеры по строения радиолокационных систем непрерывного излу чения.
Г л а в а 2
П Р И Н Ц И П Ы РАБОТЫ Р А Д И О Л О К А Ц И О Н Н Ы Х
СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО |
ИЗЛУЧЕНИЯ |
|
1. ФАЗОВЫЕ |
СИСТЕМЫ |
|
Системы, использующие |
фазовые |
методы, позволяют |
с наибольшей точностью определять пространственное положение объекта, т. е. расстояние до него, его угло вые координаты.
Математически фазой называют аргумент гармониче
ской функции. |
Например, |
фаза |
функции |
|
с(/) = |
||||||||
=.4c cos |
(сио^ + |
фос) |
равна |
г]) = (Оо*Ч-фос- |
Здесь |
|
состав |
||||||
ляющая |
фазы |
со0^ определяет |
несущую частоту |
перенос |
|||||||||
чика информации, а ср0с |
— начальную |
фазу. Если |
имеют |
||||||||||
ся |
две |
гармонические |
функции, |
то |
вводится |
понятие |
|||||||
разности |
фаз |
Аф. |
Например, |
у |
функций |
|
C| (t) = |
||||||
=Acl |
cos |
(соо1^ + |
фос1) |
и |
с 2 ( 0 =Ас2cos |
{ы021 |
+ фосг) |
раз |
|||||
ность фаз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
M |
= K l — |
|
|
0?0cl — |
<?0с2). |
|
|
(13) |
|||
Из |
выражения |
(13) |
видно, |
что у |
колебаний с |
разными |
частотами сдвиг фаз есть функция времени. Если же ча
стоты одинаковые, то сдвиг фаз определяется |
сдвигом |
||||
начальных фаз Д ф 0 с . |
обычно содержится |
в фазе |
|||
Полезная |
информация |
||||
сигнала ф с . |
Извлечение |
этой |
полезной |
информации сво |
|
дится к измерению значения |
ф с . Практически |
приходит |
|||
ся измерять разность фаз принимаемого |
( ф с ) |
и вспомо |
|||
гательного ИЛИ ОПОРНОГО |
(фоп) сигналов: физ = |
ф с — фол- |
Начальная фаза вспомогательного сигнала является как бы опорной точкой, от которой начинается отсчет. Если
22
считать |
фоп |
равным |
нулю, то |
фН з = фс- В фазовых систе |
|||
мах |
обычно |
для краткости |
вместо |
начальной |
фазы |
||
употребляется термин «фаза». |
|
|
|
||||
Необходимая информация может быть заложена в |
|||||||
фазу |
медленно или |
дискретно изменяющихся |
колеба |
||||
ний |
(при |
модуляции |
или манипуляции |
передатчика) за |
счет движения объекта, на котором ведется прием сиг нала или с которого сигнал излучается (за счет моду ляции фазы движением). Следовательно, простейшим видом фазовых систем являются системы, в которых сиг нал оказывается модулированным по фазе функцией
ср„(/). В этом |
случае сигнал |
имеет вид |
|
|||
|
с |
(0 = |
Ас cos [w0t + То с + |
9н (03, |
(14) |
|
где too — несущая |
частота; |
|
|
|
||
ф 0 с |
— начальная фаза |
сигнала, |
несущего |
информа |
||
|
цию. |
|
|
|
|
|
Если |
фос = 0 и |
ф о п = 0 , то после демодуляции, т. е. на |
||||
выходе фазоизмерителя, получим |
|
|
||||
|
|
|
<Рив = |
<М0- |
|
(15) |
В общем случае сигнал может иметь и дополнитель ную модуляцию по фазе. Причем эта модуляция позво
ляет |
существенно влиять на |
некоторые свойства сигна |
ла. |
При соответствующем |
выборе закона модуляции |
(например, изменение фазы по квадратическому или псевдослучайному закону) амплитудно-частотный спектр сигнала расширяется, он оказывается почти равномер ным (как у шума). Такие сигналы иногда называют шумоподобными. При приеме шумоподобного сигнала с помощью согласованного с ним фильтра происходит «сжатие» сигнала по времени и на выходе фильтра по лучается один короткий «выброс».
Расширение спектра позволяет при той же энергии сигнала получить малую плотность мощности сигнала на единицу полосы частот (много меньшую, чем плот ность мощности помехи) при хорошем выделении сиг нала на выходе фильтра. Таким образом, обеспечивает ся высокая энергетическая скрытность полезного сигна ла, а следовательно, и хорошая помехоустойчивость, что очень важно для радиолокационных систем.
Чтобы выделить полезную информацию при наличии дополнительной модуляции фазы cpm{t), необходимо мо-
23
дулировать |
фазу |
опорного |
напряжения |
фо п =Фдм(0 + |
|||
+ фооп. Тогда при |
фос — Фооп = 0 |
получим |
|
||||
|
Фив = |
?о — ? о п = |
?дм + |
? н (0 |
+ |
||
|
+ |
?0о — ? д и ( 0 |
— |
Фооп = |
?Я (0- |
(16) |
|
Таким |
образом, |
сигнал |
с |
дополнительной фазовой |
модуляцией может быть использован для передачи и вы деления полезной информации через фазу, однако уст ройство, обеспечивающее решение этой задачи, должно быть более сложным.
В рассмотренных случаях полезная информация бы ла заложена в фазу сигнала несущей частоты. Однако бывают случаи (вследствие малого интервала модуля ции или недостаточной стабильности основной частоты), когда целесообразнее заложить полезную информацию в фазу вспомогательной модуляции. Для выделения по лезной информации, заложенной в фазу модуляции, сле дует продетектировать сигнал или осуществить демоду ляцию. Для этого необходимо знать начальную фазу несущей, а изменения фазы сигнала в фазовом дискри минаторе преобразовать в переменное напряжение с ча стотой модуляции, фаза которого несет информацию. Этот вариант извлечения полезной информации относи тельно сложный.
Можно более просто использовать вспомогательную фазовую модуляцию для переноса полезной информации, если рассматривать модуляцию по фазе как модуляцию по частоте. Тогда для осуществления демодуляции сиг нала применяют частотный дискриминатор. Он не реа гирует на неопределенность начальной фазы и может быть использован для демодуляции сигналов со случай ной фазой несущей.
Ниже рассматриваются структурные схемы измери телей дальности и угловых координат объектов фазовым методом.
Измерение дальности. На рис. 7 приведена структур ная схема простейшего измерителя дальности. Генера тор высокой частоты генерирует колебания частотой сип, которые передающей антенной излучаются в простран ство. Фаза излученных колебаний
? с = « ^ + ?ос- |
(17) |
24
Отраженные от объекта сигналы улавливаются прием ной антенной и подаются в приемник. Фаза принимае мого сигнала
?лр = % {t — ta) + ?отр + ?РЛС + «Рос |
(18) |
где ф о Т р — фазовый сдвиг, связанный с отражением ра диоволн от объекта;
ФРЛС — фазовый сдвиг в цепях Р Л С , который мож но легко подсчитать и учесть.
Объект
Генератор
высокой
частоты
Приемник |
Фазовый |
шмерител , |
детектор |
выходного |
|
|
\напршени |
Рис. 7. Структурная схема простейшего измерителя дальности фа зовым методом
Измерение дальности до объекта сводится к изме рению сдвига фаз между принятым сигналом и излу ченным:
'Рпз == ? И 8 П |
— <?пр = |
— ?отр — <ррлс |
(19) |
||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
?и в = |
- у - Д —?отр —?РЛС |
|
|
(20) |
||
Однако рассмотренный |
метод позволяет |
определять |
|||||
дальность в очень малом диапазоне. Диапазон |
однознач |
||||||
ного измерения |
лежит |
в |
пределах от |
0 |
до |
2jt. Если |
|
Физ < 2я, то из |
формулы |
(20) получим, |
что |
максималь |
ная измеренная дальность может быть равна или меньше —. Так как в радиолокации используются очень ко роткие волны, то, следовательно, диапазон однозначного измерения дальности не превышает нескольких метров.
25
Расширить диапазон измерения расстояния можно двумя способами: измерением частоты и перемещением дальномера.
При первом способе измерение расстояния произво дится следующим образом. Если станция (радиодально мер) излучает колебания, частота которых плавно изме
няется в пределах от fY до f2 |
(от %\ до Хч), то на |
расстоя |
|||||
нии 2Д уложится |
некоторое |
целое |
число длин |
волн, т. е. |
|||
Л,1/г = 2Д. При достижении |
верхнего предела |
частоты /2 |
|||||
произойдет Z циклов полных изменений фазы, значение |
|||||||
же остаточной фазы ср„3 замеряется. |
Тогда |
уравнение |
|||||
дальности примет вид |
|
|
|
|
|
|
|
Xa (n + |
Z + ^ 2 - ) = |
2 A |
|
|
(21) |
||
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
Д = |
> Ч |
, fz + ^ - V |
|
(22) |
|||
|
2 ( *i — h) \ |
2т: |
|
|
|
||
Существенным |
недостатком этого |
радиодальномера |
|||||
является то, что в нем процедура измерения |
расстояния |
||||||
занимает значительное время. |
|
|
|
|
При втором способе, получившем название радиолага по аналогии с морским лагом, непрерывно измеряется изменение расстояния АД от станции, расположенной на борту движущегося объекта, до наземной вспомога тельной станции. Для разделения прямого сигнала дви жущейся станции и вспомогательного сигнала наземной станции они работают на разных частотах mi и сог, от
ношение между которыми |
равно |
целому |
числу р: |
^- = |
^ = |
р. |
(23) |
Шо |
П |
|
|
Если в начальный момент каким-либо способом было определено исходное расстояние До между подвижной и неподвижной наземной станциями, то при движении объ екта можно непрерывно измерять расстояние от него до наземной станции: Д = До + ДД. Действительно, если в момент привязки расстоянию Д\ соответствовал отсчет фазы ф„з1, а через некоторое время при новом значении расстояния Дг зарегистрировано изменение фазы на Z полных периодов и фаза последнего периода равна срШ2,
26
то |
|
|
|
|
|
|
|
(Z2* + |
» и з 2 ) • |
?из! = |
2 |
- Ч Д |
2 - |
•Дг)- |
(24) |
Отсюда |
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д Д = Д 2 _ |
Д, = |
- L - (Z2rc + |
? и з 2 • |
|
1 пв 1 |
|
|
|
|
2d)! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 I |
2ir |
|
|
|
(25) |
|
|
|
|
|
|
где Аф = ф„3 2 — Физь
Естественно, что, зная время At, которое прошло меж ду двумя отсчетами расстояний (Д\ и Д 2 ) , можно также определить радиальную скорость движения объекта
(26)
Расширения диапазона измеряемых расстояний мож но достигнуть и другим способом. На рис. 8 приведена структурная схема измерителя дальности, в котором при менена дополнительная модуляция. Здесь измерение фа зового сдвига осуществляется на низкой частоте Q, а перенос информации — на высокой частоте со0- Низкая частота может быть выбрана такой, чтобы обеспечивал ся достаточно широкий диапазон измерения дальности. Например, если частота Q равна 1000 рад/'сек, то макси мальная дальность равна 940 км.
Модулятор |
Генератор |
|
* Пеоедаюшля |
|
частоты |
высокой |
х |
||
|
|
антенна |
||
Я |
частоты |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
Фазовый |
Приемник |
|
|
Приемная |
детектор |
(детектор, |
|
"v антенна |
|
усилитель) |
|
|||
|
|
|
|
1
Измеритель
выходного
напряжения
Рис. 8. Структурная схема фазового измерителя дальности с допол нительной модуляцией
27
Изображенная на рис. 8 схема работает следующим образом. Напряжение, которым модулируются по ампли туде колебания высокочастотного генератора,
u M = [/м cos (Q£+ <?„). |
(27) |
В пространство излучается модулированный сигнал
"ген = Uо [1 + т cos {Ш + <?„)] cos К* + <?о о), (28)
где т — коэффициент модуляции.
Отраженный от объекта сигнал принимается прием ной антенной, в приемнике усиливается и детектируется, выделяется его огибающая, фаза которой сравнивается с фазой колебаний модулятора. Фаза огибающей приня того сигнала зависит от дальности до объекта:
? = |
Q {t — tR ) + |
?0 + ?РЛС ' + |
<?отр |
= |
= |
Q ( t - - ^ - ) + |
? o ' + ^ c + |
W |
(29) |
Поскольку значение cp0Tp весьма мало, то им можно пре небречь; фрлс, как уже упоминалось, можно подсчитать и учесть при градуировке фазометрического устройства.
Измеренная разность фаз низкочастотных колебаний
?и з = — Д , |
(зо) |
с |
|
откуда |
|
Д = - £ - < ? « • |
(3D |
На рис. 9 приведена структурная схема двухчастотного измерителя дальности, в котором измерение разно сти фаз осуществляется на частоте биений. Он обеспе чивает большой диапазон однозначного измерения даль ности. Измеритель состоит из двух генераторов высокой частоты и двух приемников.
Напряжения генераторов запишем так:
u,(0 = |
t/iCos((Dit + |
?0 i), |
(32) |
|
u2{t) = |
U2cos{a2t |
+ |
o02). |
(33) |
Высокочастотные колебания, вырабатываемые гене раторами, суммируются в сумматоре и излучаются пере дающей антенной. Одновременно они поступают на пер-
28
Генератор |
|
I . ,- Передающая |
|
высокой |
Сумматор |
||
Ь*С антенна |
|||
частоты |
|
|
|
О), |
|
|
|
Смеситель |
|
|
|
Генератор |
|
|
|
высокой |
|
|
|
частоты |
|
|
|
со2 |
|
|
|
Фазовый |
|
|
|
детектор |
|
|
|
Приемник 1 |
|
|
|
(усилитель - |
|
|
|
ограничитель) |
|
|
|
о), |
|
|
|
Смеситель |
|
|
|
2 • |
|
|
|
Приемник Z |
|
Приемная |
|
(усилитель- |
|
||
ограничитель)] |
|
антенна |
|
Измеритель] |
|
|
|
выходных |
|
|
|
напряжений |
|
|
Рис. 9. Структурная схема двухчастотного измерителя дальности
вый смеситель. На выходе этого смесителя получаем напряжение первой разностной частоты:
"si (0 = tfpi cos [(»! — о>2) f - f <?„, — <?02]. |
(34) |
Принятые |
|
приемниками |
сигналы |
запишем |
так: |
|
|||
U n p i |
= |
СЛц» cos К |
(£ — Гд) + |
О 0 1 |
|
+ |
< ? O T |
p l ] , |
(35) |
" п р 2 |
= |
^ п р 2 C O S [Ш2 |
{t — Гд ) + |
tp 0 |
2 |
+ |
0 0 т |
р 2 ] |
(36) |
(фазовые сдвиги в цепях РЛС не учитываются).
На выходе второго смесителя получим напряжение
второй разностной |
частоты: |
|
|
|
U v 2 (t) = |
Uj,2 |
C O S [((!>! — |
С02) Г — (0)j — Ш,) Гд |
+ |
+ |
(?01 — <?«) + |
(?от»1 — ?отР 2 )3- |
(37) |
29