книги из ГПНТБ / Семенов Б.З. Теория средств связи и радиотехнического обеспечения учебное пособие
.pdf- 60 -
ыут, а станции наведения истребителей - все три координаты: дальность, азимут и высоту полета объекта.
Наклонная дальность до объекта определяется путец измерения времени, необходимого для прохождения радиоволнами расстояния от пункта расположения радиолокационной станции до объекта и после отражения (ретрансляции) от объекта до радиолокационной станции:
t = — D |
; |
(3.2) |
с |
' |
|
где С - скорость распространения радиоволн.
Если измерено время t |
, |
то наклонная дальность |
определяет |
ся из соотношения: |
|
|
|
£ |
= 4 |
г - - |
(3-3) |
Следовательно, чтобы определить наклонную дальность, необхо димо знать величину скорости распространения радиоволн и время их распространения t .
Скорость распространения радиоволн зависит от свойств среды, в которой происходит их распространение.
Для удобств приближенных практических расчетов скорость рас пространения радиоволн принимают равной 300 000 км/час. Погреш ность, получаемая при таком допущении, сравнительно небольшая.
Для определения направления на цель в радиолокационных стан циях применяют антенны направленного действия, обеспечивающие из лучение и прием радиоволн в узком секторе. Обнаружение отраженных сигналов при направленных излучении и приеме возможно? если объект находится в зоне излучения и приема. Фиксируя положение антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях в момент приема отражен ных сигналов, можно определить угловые координаты цели: азимут и угол места.
§4. Диапазоны радиоволн, используемые
врадиолокации
Большинство современных радиолокационных станций работает в ультракоротковолновом диапазоне радиоволн (диапазон УКВ J i = = 0,001-В.' ч).
- 61 -
Выбор ультракоротковолнового диапазона для радиолокации обу словлен рядом причин, как уже указывалось выше, в основу актив ной радиолокации положено явление отражения радиоволн от объек тов. Интенсивность отраженных (рассеянных) радиоволн зависит от многих факторов:
- |
материала объекта и его электрических характеристик; |
- |
соотношения между размерами объекта и длиной волны; |
- |
формы объекта и его положения относительно радиолокационной |
станции.
Чем больше в материале объекта сила наведенного переменного тока, возникающего в результате воздействия первичных радиоволн, тем больше интенсивность отраженных радиоволн. Тела, хорошо про водящие электрический ток (проводники), отражают радиоволны луч ше, чем непроводники или полупроводники.
Для того чтобы отражение от объекта при прочих равных условиях было заметным, длина волны должна с&ть меньше его размеров или соизмерима с ним. Если же длина радиоволны значительно больше размеров объекта, то радиоволна огибает объект (препятствие). От ражение радиоволн от него в этом случае будет незначительным.
Большинство воздушных целей имеет размеры порядка нескольких метров или нескольких десятков метров. Следовательно, заметное отражение радиоволн будет иметь месю в том случае, когда объект облучается радиоволнами ультракоротковолнового диапазона.
Другая причина выбора для радиолокации ультракоротковолнового диапазона обусловлена возможностью создания в этом диапазоне мало габаритных антенн с высокой направленностью действия.
Точность определения направления на цель, а также дальность ее обнаружения во многом зависят от размеров сектора, в пределах которого возможны излучение и прием радиоволн данной антенной. Чем уже этот сектор, тем точнее можно определить угловые коорди наты цели и тем лучше условия создаются для раздельного наблюде
ния двух целей, находящихся на одинаковых расстояниях от радиоло
кационной станции. |
1 |
|
В диапазоне ультракоротких волн можно получить |
импульсы высо |
|
кочастотных колебаний незначительной |
длительности |
(до 0,1 мксек), |
что создаст благоприятные условия для раздельного наблюдения двух целей на одном направлении при дистанции между ними всего в не сколько десятков или сотен метров.
-62 -
§5. Методы радиолокации, основанные на непрерывной
излучении радиоволн |
|
|
В системах с непрерывным излучением объект |
может быть |
обнару |
жен лишь в том случае, когда частота сигналов, |
отраженных |
от него, |
не совпадает с частотой колебаний, излучаемых |
передающим устройст |
|
вом. В результате одновременного воздействия на приемник |
двух ко |
|
лебаний с разными частотами на его выходе будут обнаруживаться ко лебания разностной частоты. Наличие этих колебаний на выходе прием ника будет свидетельствовать о появлении объекта в пределах зоны обнаружения радиолокационной станции.
Метод радиолокации, основанный на использовании эффекта Допплера
Сущность эффекта Допплера применительно к радиоволнам состоит в том, что при движении источника радиоволн относительно приемно го устройства или, наоборот, при движении приемного устройства от носительно источника радиоволн частота воспринимаемых приемным устройством колебаний не совпадает с частотой излучаемых радио волн, причем это различие в частотах тем больше, чем больше ско рость их относительного перемещения.
Разность |
частот излученного |
и принятого колебаний называют |
||
д о п п л е р о в с к и м |
п р и р а щ е н и е м |
ч а с т о - |
||
т ы Яд . |
Зависимость Я д |
от |
скорости относительного перемеще |
|
ния объекта радиолокации и радиолокационной станции определим на основе рис. 3.2.
Рис. 3.2
- 63 -
Пусть на вход приемника радиолокационной станции от передат чика поступает напряжение
|
|
|
Ul |
= Um i 3in |
s |
|
|
|
(3.4) |
||
где |
1р^=со1 - фаза |
напряжения Ui . |
|
|
|
|
|||||
|
Отраженный от объекта сигнал создает на входе напряжение |
||||||||||
|
|
иг |
s‘ Um a r t n u 3 ( t - A i ) J |
|
|
(3.5) |
|||||
где |
A t = 2D |
- запаздывание отраженного |
сигнала. |
|
|
||||||
|
Допустим, что наклонная дальность до объекта изменяется по |
||||||||||
закону: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D ( t ) =D0 - W(coSaC){ f |
|
|
(3.6) |
||||
где |
WcoSoC =Wy - |
скорость объекта |
относительно |
радиолока |
|||||||
ционной станции |
- |
р а д и а л ь н а я |
|
с к о р о с т ь |
объек |
||||||
та |
(рис. |
3 .2 ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мгновенная фаза |
принимаемых колебаний |
|
|
|
|
|||||
а частота |
принятых колебаний при |
СО = |
const |
|
|
||||||
|
|
dcp |
|
( |
L |
d d |
\ |
/ |
2W |
\ |
|
Ш"Р~ d t = и>\1 - ~ |
ж |
) =и)\1 +— соЧ - |
|
||||||||
|
Допплеровское |
приращение |
частоты |
|
|
|
|
||||
|
Ш п р ~ Ш |
|
2WcoSaC j |
2 WCOS0C |
|
(3.7) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
* д “ |
2Ж |
|
|
|
|
|
|
X |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
или, обозначив через
- W c o S a C |
, будем иметь: |
- 64 -
F = |
(3.8) |
АЛ
где tA |
“ длина |
излучаеиых |
(первичных) |
радиоволн. |
|
Обычно при практических расчетах скорость удобно выражать |
|||||
в ки/час |
или в |
u/с е к , а длину волны - |
в си. При этой |
выражение |
|
(3.8) принииает вид: |
|
|
|
||
|
|
*А = 55,6 |
W cos об |
|
(3.9) |
|
|
Л |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Или |
|
|
|
|
|
|
|
Вл = 200 |
W COSoC |
■ |
(ЗЛО) |
|
|
--------------- |
|||
АЛ
Определии порядок допплеровских приращений для типовых усло вий. Пусть ^ = 1000 и/сек, d = О, X = Ю си. Тогда
р = 200 • Д23 = 20 000 гц.
А10
При W = ЮО u/с е к , JL = 0 и «Л = Ю си
2
Р= 200 • -12- = 2000 гц.
АЮ
Частоту принимаемых колебаний можно определить из выражения:
|
9 W |
|
|
|
|
|
fn p = f ( l ± ~ |
r ~ |
COSc£)> |
|
(8-п ) |
||
в которой следует ваять знак |
"плюс" в случае |
приближения цели |
||||
и знак "иинус" - при удалении. |
|
|
|
|
|
|
Блок-cxeua простейшей радиолокационной станции с использова |
||||||
нием эффекта Допплера приведена на рис. |
3.3. |
Передатчик |
излучает |
|||
незатухающие колебания частоты f |
черев |
антенну |
. |
После от |
||
ражения от движущейся цели частота |
отраженного оигнала |
благодаря |
||||
- 65 -
индикатор |
А< , |
Пфвдагш |
|
___ ___ |
■ ^ г |
т |
4 Jла- |
|
|
|
Рис. 3.3 |
эффекту Допплера отличается |
от частоты f на допплеровское при |
ращение. На приемную антенну А г поступает часть мощности прямо
го сигнала частоты ^ |
На выходе |
смесителя выделяется |
частота |
биений между этими двумя сигналами, |
равная Б д . После |
усиления |
|
в усилителе допплеровских частот (УДЧ) преобразованный |
сигнал по |
||
ступает в индикатор для выработки данных о цели. |
|
||
Допплеровская радиолокационная станция в общем случае позво |
|||
ляет обнаружить цель, |
измерить ее радиальную скорость и угловые |
||
координаты. |
|
|
|
Обнаружение цели может фиксироваться, например, по появлению звукового сигнала в телефонах или колебаний-допплеровской частоты на экране электронно-лучевой трубки.
Радиальная скорость цели определяется путем измерения величины допплеровской частоты
W =
2
Угловые координаты определяются по положению приемной антенны в момент приема отраженного сигнала относительно фиксированных на правлений.
Необходимо отметить, что возможность непрерывного определения скорости цели и выделение только подвижных целей являются важней шими преимуществами допплеровских станций. Кроме того, эти стан ции позволяют осуществлять выделение (селекцию) радиолокационных целей по скорости путем настройки узкополосного фильтра и усили теля допплеровской частоты на заданное значение Р д , соответст вующее скорости селектируемой цели. Это качество допплеровской станции позволяет, например, устранить влияние отраженных сигналов
- 66 -
от земной поверхности на радиолокационную станцию, установлен ную как на земле, так и подвижной объекте (самолете, ракете
и т .д .) . |
|
|
|
|
К другим достоинствам этих станций следует |
отнести: |
|
|
|
- |
отсутствие "мертвой зоны" по дальности, |
характерной |
для |
|
импульсных радиолокационных станций, равной |
, где |
Т - |
дли |
|
тельность импульса; |
|
|
|
|
- возможность работы при весьма малой полосе пропускания прием |
||||
ника, |
определяемой в основном шириной спектра |
допплеровских |
частот, |
|
что благоприятно сказывается на увеличении помехозащищенности стан ции.
Однако допплеровские радиолокаторы имеют характерные недостатки и ограничения. Наиболее важным недостатком является трудность полу чения большой дальности до целей и раздельного их наблюдения на экране индикатора; в простейшем случае при помощи рассматриваемой станции дальность можно приближенно определить лишь по амплитуде колебаний допплеровской частоты.
Благодаря простоте устройства рассмотренных допплеровских стан ций и отсутствию ближней "мертвой зоны" они применяются в радиовзры вателях и радиолокационных координаторах снарядов, а также в каче стве станций обнаружения и слежения за целями.
Возможность непосредственного измерения радиальной скорости це ли с помощью допплеровских станций позволяет использовать их в ка честве наземных и бортовых измерителей скорости полета самолетов, ракет, искусственных спутников Земли и других объектов.
Эффект Допплера используется в современных наземных импульсных радиолокационных станциях для обнаружения движущихся целей на фо не отражений от неподвижных или малоподвижных объектов (местных предметов, облаков, металлизированных лент и т .д . ) , т .е . для решения задачи селекции движущихся целей (СДЦ).
I
Метод радиолокации, основанный на использовании частотной модуляции
Частотно-модулированными называются колебания, частота которых изменяется по определенному закону, а амплитуда колебаний в про цессе модуляции остается неизменной:
- 67 -
и = Uт sin [co(t)t - <f] . |
(3.12) |
В целях упрощения математических выражений допустим, чю
'частота колебаний, ооздаваеиых передатчикоы, периодически из
меняется по линейному закону в пределах от / |
до / |
J m i п |
■*ТПаХ |
График изменения частоты передатчика показан на рис. 3 .4 |
|||
в виде сплошной ломаной линии. |
Излученные передающей антенной |
||
радиоволны, встречая на своем |
пути объект, |
отражаются от него |
|
и принимаются приемной антенной. На смеситель приемника одно |
|||
временно поступают колебания от передатчика |
(прямой сигнал) и |
||
колебания, отраженные объектом. В результате преобразования |
|||
этих колебаний возникают колебания, частоты которых отличаются |
|||
от частот прямого сигнала |
и сигнала, отраженного от цели. |
||
Среди новых колебаний |
будет |
возникать колебание, частота ко |
|
торого равна разности частот прямого и отраженного сигналов. |
|||
Колебание разностной частоты выделяется в смесителе приемника |
|||
при помощи колебательного |
контура, настроенного на разностную |
||
частоту. |
|
|
|
Закономерность изменений частоты отраженного сигнала и часто ты передатчика одна и та же. График изменения частоты отраженного сигнала показан на рис. 3.4. Он изображен в виде пунктирных от резков прямой линии. Изменения частоты отраженного сигнала отстают по времени от изменений частоты передатчиков. Вреия запаздывания
- 6Ь -
8тих иэиенений и, следовательно, величина разностной частоты пропорциональны дальности до отражающего объекта:
|
|
|
t = ~ |
— - |
|
(3.13) |
|
Обращаясь |
к рис. |
3 .4, найден величину разностной |
частоты. |
||||
Ив треугольнике АбВ |
и |
А о'6 ииееи: |
|
|
|||
F = f niep |
- finпрp - M |
63 AS |
(3.14) |
||||
= |
м |
||||||
|
|||||||
Подставив |
взамен |
БВ |
, А& |
и АВ |
соответственно |
л / , |
|
оГ) и Т щ -, |
получим: |
|
|
|
|
||
|
F |
= |
8 л / - D |
|
(3.15) |
||
|
Т ТП о |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
Из этой фориуэш |
находии дальность |
|
|||||
|
т т |
с; |
|
|
(3.16) |
||
|
L> = - |
|
F = k F , |
|
|||
S A f
где
Тс
к= . m * ■= const
Й Д /
Из формулы видно, что при частотном методе радиолокации величина F служит мерой расстояния в отличие от допплеровских
систеи, где она была мерой радиальной скорости цели. В выражении (3.16) С , д / и Т ,^ - постоянные величины.
Разностная частота может быть измерена при помощи устройства, называемого частотомером, шкала частотомера градуируется в едини цах дальности, поскольку разностная частота, как было показано выше, пропорциональна дальности до цели.
- 69 -
Метод частотной модуляции используется в ряде радиолокацион ных устройств. Наиболее существенный достоинством этого метода является возможность применения радиолокационных станций с час тотной модуляцией для измерения сравнительно малых расстояний с высокой степенью точности. Из авиационных радиолокационных устройств с частотной модуляцией наибольшее распространение по лучили радиовысотомеры малых высот, применяемые для измерения истинной высоты полета.
Минимальное расстояние, до которого может быть измерена даль ность, определяется выражением:
С
|
|
тт |
8 a |
F |
' |
(3. 17) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
где |
С - |
скорость |
распространения радиоволн; |
|
|||
|
а / - |
пределы |
изменения |
частоты (девиация) передатчика. |
|||
|
Выражение (3.17) получаетоя из формулы (3.IG) при следующем |
||||||
условии, разностная |
частота |
F |
не может быть |
меньше частоты |
|||
модуляции |
Fm =-T^r |
F • Наименьшее значение |
ее F = F m |
||||
Подставив |
это соотношение в |
формулу (3 .16), получим выражение |
|||||
(3.17). |
|
|
|
|
|
|
|
|
В настоящее время радиолокационные станции с частотной моду |
||||||
ляцией находят ограниченное |
применение ввиду трудности создания |
||||||
станции, допускающей одновременное наблюдение за несколькими объектами.
§ 6. Радиолокация при импульсном излучении радиоволн
Импульсный режим излучения радиоволн характеризуется тем, что передающее устройство РЛС излучает радиоволны в течение коротких промежутков времени. Пауза между импульсами используется дня приема отраженных или ретранслированных сигналов. Этот процесс протекает с периодом повторения Т и , причем во многих радиоло
кационных станциях |
Т |
, где |
Т ~ длительность излучае |
мых импульсов.