книги из ГПНТБ / Нестеров К.П. Системы автосопровождения [учебное пособие]

Запишем выражения для напряжений на выходе антенн:

U1=I\F(е—scu) cos(<V+®!b

U2=KF(a+scu) cos(u>0£-f<p2),

где

«0 —несущая частота; ф, и ф2 —начальные фазовые сдвиги.

При идеальном амплитудном методе пеленгации

csj= 92= 0 .

Теперь необходимо напряжения Ui и U2 сложить и вычесть. Суммирование и вычитание сигналов [Д и U2 производится непо­ средственно на выходе антенны при помощи суммарно-разностно­ го моста (рис. 3.11,а) или двойного волноводного тройника, вол­ новодного моста типа «двойное Т» (рис. 3.11,6).

Рассмотрим принцип действия лишь суммарно-разностного моста.

Кольцевой суммарно-разностный мост (рис. 3.11, а) имеет че­ тыре отвода по одной полуокружности, причем электрическая длина участков кольцевого волновода между этими отводами равна нечетному числу )./4. Если к отводам 1 и 2 подвести син­ фазные высокочастотные сигналы,, то в точке подсоединения от­

воды С и Р называют соответственно суммарным и разностным.

80

сигнала, определяемая фазой сигнала 2 в точке Р, сдвинута от­ носительно точки 2 пропорционально Х/4. Такой жё сдвиг по отношению к точке 2 имеет суммарный сигнал. В этом случае суммарный и разностный сигналы оказываются в фазе. ,

Если же сигнал подвести к отводу С, то он поступит к отводам У и 2 с одинаковыми фазами и амплитудами. В отвод Р сигнал не попадет, так как разность хода сигналов по дуге С1Р и дуге С2Р равна Х/2.

По своим свойствам оба типа мостов одинаковы. Кольцевой мост более чувствителен к изменению длины волны, но он ком­ пактнее, так как располагается в одной плоскости-

Познакомившись со свойствами суммарно-разностных мостов, перейдем к рассмотрению амплитудной многоканальной системы автоматического сопровождения по направлению в одной плоско­ сти.

Излучатели У и 2, симметрично смещенные относительно оси зеркала антенны, подсоединены соответственно к отводам У и 2 суммарно-разностного моста. При этом их характеристики на­ правленности образуют равносигнальное направление на перпен­ дикуляре к середине базы антенны (рис. 3.12,а).

Рис. 3.12

Во время передачи высокочастотные колебания от передатчика через отвод с волноводного моста распределяются поровну между отводами У и 2 и поступают на оба излучателя в фазе. В про­

странстве эти колебания складываются, образуя суммарную харак­ теристику направленности (рис. 3.12,6). В канал Р колебания от передатчика не поступают.

Отраженный от цели сигнал принимается каждым излучателем в отдельности. Сила принимаемого каждым излучателем сигнала зависит от положения цели относительно равпосигнального' на­ правления. Например, если цель смещена в сторону излучателя 1, то больше будет сигнал, поступающий в капал 1 (рис. 3.12,а).

В отвод С приходит суммарный сигнал, принятый обоими ка­ налами. Зависимость суммарного сигнала от направления его при­ хода характеризуется суммарной характеристикой (рис- 3.12,6).

По суммарному сигналу фиксируется факт обнаружения цели и измеряется дальность до этой цели. Если перекрыть отвод Р кольцевого моста и отбросить нижнюю часть схемы (рис. 3.8), то получается обычная схема РЛС измерения дальности.

Принципиально новым, в мопоимпульсных РЛС по сравнению с обычными является наличие разностного канала. Если цель не находится па равносигналыюм направлении, то в отводе Р будет получен высокочастотный сигнал разности, амплитуда которого тем больше, чем больше отклонена цель от равносигнального на­ правления, а фаза будет равна или противоположна фазе суммар­ ного сигнала.

Таким образом, амплитуда разностного сигнала определяет ве­ личину углового смещения цели от равпосигнального направления, а фаза — знак этого смещения.

На равносигналыюм направлении амплитуда разностного сиг­ нала равна нулю.

Диаграмма направленности разностного сигнала изображена па рис. 3.12,s. Совпадение фаз суммарного и разностного сигналов показано на ней знаком плюс, несовпадение — знаком минус.

Следует отметить, что разностная характеристика образуется только при приеме, в самом приемном устройстве.

Запишем выражения для разностного и суммарного сигналов:

U — U2= K[F(e—есм) —/ 7(s + s CM)] cos(cun/-r6),

U ^ L J i—U2=K[F(B—sc,t)+F(z+Bc,,)] cos(u)n^-j-'|j),

где

U A и t/s— напряжение разностного и суммарного сигналов соответственно;

■Ь—фазовый сдвиг, вносимый УПЧ.

Сигналы суммы и разности поступают в смесители СМ, куда подается напряжение колебаний гетеродина. Далее сигналы и раз­ ности усиливаются по промежуточной частоте в УПЧ. Напряжения на выходе усилителей промежуточной частоты без учета БАРУ за­ пишутся в следующем виде:

U'a^Кс»КупчК[Р{г — есм) — Д (е + гси)] cos(«y+ ib),

£ А = КсмАТуичА'[^(е— S c ^ + Z ^ e + Scu)] COS((unH 6 ) ,

82

где

<оп — промежуточная частота; Кем—коэффициент усиления смесителя;

/Супч—коэффициент усиления усилителя промежуточной час­ тоты.

Из последних выражений видно, что амплитуда суммарного и разностного сигналов зависит не только от уйла рассогласова­ ния, но и от интенсивности принимаемого сигнала, которая опре­ деляется размерами цели, дальностью до цели, и может колебать­ ся в больших пределах. Для исключения влияния силы принимае­ мого сигнала па величину сигнала ошибки необходимо изменять коэффициент усиления приемников разностного и суммарного сиг­ налов обратно пропорционально интенсивности суммарного сиг­ налаЭту роль выполняет система быстродействующей автомати­ ческой регулировки усиления (БАРУ), работающая от сигнала в суммарном канале. Благодаря этой системе крутизна пелепгациоипой характеристики практически остается постоянной. Упрощая действительную картину явлений, примем, что БАРУ является идеальной, так что после превышения суммарным сигналом на­ пряжения задержки в детекторе АРУ амплитуда сигнала на выхо­ де УПЧ суммарного канала остается постоянной. Сигнал па вы­ ходе УПЧ может быть записан

где

£/0~амплитуда напряжения сигнала на выходе УПЧ.

Напряжение регулирования, подаваемое па оба усилителя, из­ меняется пропорционально амплитуде напряжения суммарного ка­ нала:

^рег = КрегКсмКупчК[Р(е — £см)-ртДе + ес,) |,

где

К Рег—коэффициент усиления БАРУ.

Коэффициенты усиления усилителей промежуточной частоты обоих каналов изменяется обратно пропорционально напряже­

Для выделения напряжения сигнала ошибки необходимо напря­ жения на выходе УПЧ [(3.19); (3.20)1 продетектировать с по­ мощью фазового детектора.

Предположим, что выходное напряжение фазового детектора

83

пропорционально среднему значению произведения поступающих

напряжений Uz и -у.---, тогда получим ^рег

где Кфд — коэффициент усиления фазового детектора. Разлагая функции в числителе и знаменателе в степенные ряды и ограничи­ ваясь двумя членами разложения, найдем

Теперь можно сделать некоторые выводы о системе с суммарноразностной обработкой сигнала.

Применение БАРУ обеспечивает постоянство крутизны пеленгационной характеристики. Неидентичность статических (ампли­ тудных) характеристик усилителей не влияет на положение равно­ сигнальной линии, а приводит лишь к изменению крутизны пелепгационной характеристики, что видно из формулы (3.21). Из этого выражения следует, что напряжение' на выходе пелеигационного устройства пропорционально разности сигналов, разделенных на сумму сигналов. Система БАРУ производит как бы нормировку принятых и усиленных сигналов по отношению к амплитуде сум­ марного сигнала. При помощи такой регулировки принципиально можно устранить влияние амплитудных флюктуаций принятых сигналов.

Статическая характеристика пелеигационного устройства

Под статической характеристикой пелеигационного устрой­ ства понимают зависимость напряжения U„y от сигнала ошибки, то есть

£ / п у = / ( е ) .

Для нахождения указанной зависимости в соответствии с [7] аппроксимируем диаграмму направленности квадратом косину­ соиды:

Подставляя (3.24) в. (3.21), получим аналитическое выражение статической характеристики:

и____Кфд^о[со5гД(в—eCM) - c o s M ( e - f s CM)]

пу Kper[cOSM(e—eCM)+COsM(e-fsCM)l

84

График статической характеристики пеленгационного устройства изображен на рис. 3.J3.

(5

При |®|< Jsi! статическую характеристику можно считать ли­ нейной.

Из рис. 3.13 следует, что в пеленгационном устройстве угол рассогласования е преобразуется в напряжение Uny.

Следовательно, пеленгациониое устройство в автоматичес­ кой системе может быть заменено усилительным звеном с ко­ эффициентом усиления КПу, численно равным крутизне пеленгационной характеристики в нулевой точке, то есть

§ 3.2. Передаточные функции отдельных элементов системы

Ниже приводится анализ динамики следящей системы моноимпульсной РЛС с амплитудной пеленгацией при суммарно-разност­ ной обработке сигнала.

Некорректированная система, как правило, содержит следую­ щие элементы:

—пеленгациониое устройство;

—усилитель напряжения;

—усилитель мощности;

—исполнительное устройство, включающее исполнительный двигатель и редуктор;

■— объект управления.

Дадим краткую характеристику перечисленных устройств-

а) Пеленгациониое устройство

Каждая система автоматического измерения угловых коорди­ нат содержит пеленгациониое устройство.

85

Пеленгационное устройство включает антенну, смеситель, УПЧ, БАРУ и фазовый различитель, с помощью которых осуществляет­ ся преобразование информации об угловых координатах цели в токи и напряжения, однозначно зависящие от этих координат.

В предыдущем параграфе было показано, что пеленгационное устройство по своим динамическим свойствам представляет собой усилительное звено с коэффициентом усиления Хну

'К п у ( р ) — К п у .

Аналитическая зависимость Хпу выражается формулой (3.23). Сомножителем в эту формулу входит коэффициент К тр, кото­ рый зависит от способа аппроксимации диаграммы направлен­ ности.

Для определения аналитического выражения коэффициента К mF восполь­

зуемся рис. 3.14. Для антенн с параболическими отражателями диаграмму нап­ равленности чаще всегоааппроксимируют одним из следующих выражений.

£0ф дф = 1,15-Х;

/<о

2) F(z)=e

Коэффициент А определяется шириной луча е0, связанной с длиной волны той же зависимостью.

При отклонении на е, равном половине ширины луча 0,5 г0, диаграмма

86

Параметр А определяется из равенства

откуда находим

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения служит для обеспечения требуемого коэффициента усиления системы.

Передаточная функция усилителя

Кун(Д)~Кун.

Усилитель мощности и исполнительный двигатель

Исполнительное устройство предназначено для поворота ан­ тенны в соответствии с выходными данными пеленгационного устройства.

Моноимпульсные РЛС обладают, как правило, большим стати­ ческим моментом на валу исполнительного двигателя. Поэтому в качестве исполнительного двигателя системы применяется двига­ тель постоянного тока с независимым возбуждением. Для питания якоря двигателя и управления его работой необходим электромашинный усилитель. Передаточная функция ЭМУ — двигатель мо­ жет быть записана в следующем виде:

87

?1,$— относительные коэффициенты; Кэму—коэффициент усиления ЭМУ;

Кд— коэффициент усиления двигателя.

Редуктор

Обычно объект управления сочленяется с исполнительным дви­ гателем через редуктор. Конструкция и передаточное число редук­ тора определяется условиями работы системы в целом. С точки зрения динамических свойств редуктор представляет собой усили­ тельное звено, то есть

К ред(р)==Крол •

Блок-схема некорректированной системы изображена па рис. 3.15.

Рис. 3.15

Определение коэффициента усиления разомкнутой системы

Для определения коэффициента усиления разомкнутой системы необходимо знать максимальную угловую скорость цели и макси­ мальную динамическую ошибку системы. Предположим, что рас­ сматриваемая РЛС предназначена для сопровождения самолетов. В дальнейшем будем рассматривать систему для сопровождения цели по азимуту.

В § 1.4 приведены выражения закона изменения азимута, пер­ вой, второй и третьей производных при условии, что цель движет­ ся в горизонтальной плоскости прямолинейно и с постоянной ско­ ростью.

Примем для дальнейших расчетов, что максимальная угловая скорость

. 2 Макс —0,075 рад/’сек.

Потребуем, чтобы максимальная ошибка сопровождения не превы­ шала половины малого деления угломера:

s < 0,5 или s< 1,8',

а максимальная динамическая ошибка была бы меньше или равна 0,3 малого деления угломера, т- е.

макс<0,3.

В первом приближении коэффициент усиления разомкнутой си-

88