книги / Радиолокационные измерители дальности и скорости. [Т.1]
.pdfный импульс располагается в i-м и (i+l)-M стробах и имеется воз можность измерения амплитуд сигнала в этих стробах, то
_и^±Цщ11±1 |
(4.2.5) |
U f + Ufrt |
|
где ij, xi+1 - значения временных положений центров i и i+ 1 стро бов; Uj, Ui+1 - амплитуды сигналов на выходах соответствующих стробов. При перекрытии стробов, отражённый сигнал может пре высить порог более чем в двух стробах. Тогда при п>2
i+n |
/i+n |
(4.2.6) |
Т = S |
, / 2 и?, |
где п - число соседних стробов, в которых сигнал превысил порог. При технической реализации возведение в квадрат амплитуд Uj может не выполняться.
Оценка центра тяжести отраженного импульса дозволяет при близится к потенциальной точности измерения времени задержки,
определяемой выражением |
(4.2.7) |
Dt=(6T/q)2, |
где DTдисперсия измерения времени задержки; 8т=ти - разреше ние по задержке. Если измерение амплитуды отраженного сигнала не производится, то оценка времени задержки осуществляется но выражению, аналогичному (4.2.4)
Тн=Е\/п. |
(4.2.8) |
При этом точность измерения увеличивается с увеличением коли чества применяемых приёмных стробов и степени их перекрытия.
При большом количестве перекрывающихся стробов можно определять положение переднего фронта или среза принятого им пульса. Последний способ измерения особенно ценен в случаях, когда часть импульса попадает в зону запирания приёмника. На рис. 4.2.7 показана зона приёма, перекрытая ш » перекрываю щимися стробами. Представлены три положения отражённого от цели сигнала тс1, тс2 и т^.
При положении TCJ только вторая половина импульса распо ложена в зоне приёма, сигнал превышает порог в первом и во вто ром стробах приёмника, а в стробах Tc^-T^pm порог не превышен. Тогда за оценку временной задержки центра принятого импульса примем величину
Рис. 4.2.7.
1= ^фрЗ“0 > >
где Тфрз - временная задержка начала (фронта) третьего строба от носительно начала зондирующего импульса, которая соответствует срезу отраженного импульса тс1; ти - длительность зондирующего импульса. При положении только первая половина импульса расположена в зоне приёма. В такой ситуации принятый сигнал превышает порог всего в двух стробах ^crpm-i* Тстрт- Тогда за оцен ку временной задержки центра принятого импульса примем вели чину
^H3= ^cp(m -2)“l" 0 ,5 т и ,
где тср(т .2) - временное положение среза (т -2 )-го строба относи тельно начала зондирующего импульса, которое соответствует фронту отраженного импульса т^. При положении принятого им пульса тс2 весь импульс расположен в зоне приёма. Порог превы шен в п стробах, начиная с i-ro. Временная задержка центра при нятого импульса тс2 может быть вычислена через оценки времен ных задержек как его переднего фронта, так и среза. В первом случае
'Сн2=^ср(М)+0 ,5 ти,
а во втором
тн2=тфр(1+п+1)‘ 0»5ти.
По измеренному одним из рассмотренных выше способов зна чению времени задержки при ВЧПИ и СЧПИ можно определить
только наблюдаемую (неоднозначную) дальность до цели Дн=сотп/2- Устранение неоднозначности производится с помощью специальных алгоритмов. Измерение дальности также возможно применением модуляции зондирующего сигнала (например по не сущей частоте). Отраженные сигналы сохраняют введенные зако ны модуляции, но ее параметры отличаются вследствие задержки сигнала. Измерение дальности осуществляется путем сравнения отраженного и излучаемого в данный момент сигнала, поэтому в общем случае стробирование приемника не требуется (достаточно одного строба, открывающего приемник в течении времени от од ного излучаемого импульса до другого).
4.2.3.Изм е ре н и е д а л ь н о с т и с и сп о л ьзо в а н и е м л и н ей н ой
ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧАЕМОГО СИГНАЛА
Наиболее распространенным методом однозначного измерения дальности в ИДРЛС при работе с ВЧПИ является использование линейной частотной модуляции (ЛЧМ) несущей частоты зонди рующего сигнала в пределах пачки излучаемых импульсов. При этом измерение дальности происходит за счет совместной обработ ки сигналов, принимаемых после излучения двух пачек.
При излучении первой пачки без ЛЧМ несущей РЛС осущестт вляет обнаружение цели. При принятии решения об обнаружении частота повторения импульсов Fn-B следующей пачке (пачке изме рения) остается такой же, как и в предыдущей, для исключения попадания цели в «слепую» зону по дальности. Несущая частота зондирующего сигнала в пачке изменяется по линейному закону с крутизной
S=AFM/TM4, |
(4.2.9) |
где AFMдевиация частоты; Тшч - длительность пачки импульсов. При этом частота гетеродина fг также изменяется в соответствии с изменением несущей.
Необходимость обработки сигнала совместно в двух пачках вызвана тем, что при использовании ЛЧМ сдвиг частоты прини маемого сигнала в измерительной пачке обусловлен не только его задержкой относительно излучаемого, но и движением цели. Рас смотрим частоту сигнала на выходе приемника для первой и вто рой пачек импульсов (рис. 4.2.8).
Втечении первой пачки частота излучаемого сигнала ^ал1=^о>
ачастота сигнала, принимаемого от цели при сближении с ней со
скоростью Vtf! где Pдцг=,2 УсбД - доплеровская частота. Частота гетеродина равна номинальному значению Гго. Частота сигнала на выходе приемника (после гетеродинирования) сдвинута
относительно номинального значения |
промежуточной частоты |
W “fo“*ro на величину Fw , т.е. |
|
^Прм1=г^ц1“^ГОВ=^Пр^”^дц- |
(4.2.10) |
При излучении второй пачки импульсов fH3^ = f0-St. Несущая час тота принимаемого сигнала ^^излг^зН ^дц, где т3=2Д/со - вре мя задержки сигнала при распространении до дели и обратно. Частота гетеродина также изменяется по линейному закону fr2=fro-St, поэтому ЛЧМ на выходе приемника устраняется и
fnpM2=f42-fr2=fnp+ST3+*W |
(4.2.11) |
Таким образом, сдвиг частоты сигнала при приеме измери тельной пачки обусловлен двумя эффектами: во-первых, доплеров ским сдвигом частоты Fдц=2 Ус6А при взаимном движении цели и истребителя; во-вторых, сдвигом частоты Affl“ Sx3, вследствие за держки принимаемого сигнала относительно излучаемого. Поэто му при приёме пачки в режиме обнаружения происходит измере ние доплеровской частоты принимаемого сигнала F^, а при прие ме измерительной пачки суммарного сдвига частоты Afi=Affl+Fw. Затем вычисляется однозначная дальность до цели по формуле
_ c0(Afz -Fw)
(4.2.12)
2S
Согласно полученному выражению точность измерения даль ности методом ЛЧМ зависит от точности измерения частотных
смещений Af£ и Fw , а также от стабильности изменения крутизны несущей. Полагая точность измерения Af£ и Fw одинаковыми по лучим, что дисперсия ошибки измерения дальности при точном выдерживании крутизны изменения частоты определяется соот ношением
__ |
c0Df |
Од = |
(4.2.13) |
2S2 |
где Df - дисперсия оценки доплеровского смещения частоты. Техническая реализация процедуры измерения дальности
осуществляется путем вычитания частот настройки фильтров, в которых произошло обнаружение сигнала цели по первой и второй пачкам импульсов. В первом такте, когда используется пачка им пульсов без ЛЧМ, обнаружение цели осуществляется в некотором доплеровском фильтре, настроенном на частоту Гдц, а во втором такте измерения при включенной ЛЧМ сигнал цели обнаружива ется в фильтре, настроенном на частоту Afr (рис. 4.2.9). Этот фильтр расположен правее предыдущего на величину сдвига, рав ного Мд (если несущая частота при включении ЛЧМ увеличивает ся, а не уменьшается, как в рассмотренном примере, то фильтр будет расположен левее). Бели доплеровскую частоту цели на пер вом такте определить по номеру фильтра Кф1, то на втором такте номер фильтра обнаружения N4,2 окажется больше чем N,^.
Очевидно, что разность номеров этих фильтров определяет дальномерную частоту
ДОфа-Иф!) М = Мд , |
(4.2.14) |
где Af - расстояние между соседними фильтрами по частоте. Тогда дальность до цели можно определить по формуле
Д = Co(N«>2 - ^ A f . |
(4.2.15) |
2S |
|
Представленный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что измерение расстояния до дели становится дискретным. Величина дискрета АДд^ соответствует разности номеров фильт ров, равной единице
Д Д лчм=^. |
(4.2.16) |
Например, при Af=200 Гц и S=5 Мгц/с, получаем АДЛЧМ= 6 км. Это достаточно большая дискретность может быть допустимой лишь в режиме обзора для получения информации о расположении целей по дальности.
Из (4.2.13) и (4.2.16) следует, что повысить точность измере ния дальности методом ЛЧМ можно увеличивая крутизну S изме нения частоты. Однако величина S не может быть выбрана боль шой. Основным ограничением при увеличении S является требо вание, чтобы максимальное значение Afz не превысило диапазона измерений частоты набором доплеровских фильтров.
Другим недостатком описанного метода является возникнове ние неопределенности в измерении расстояния, если в пределы строба селекции по дальности вследствие неоднозначности попадут сигналы от нескольких целей, хотя и имеющие различные скоро сти (различные доплеровские частоты). В этом случае в наборе до плеровских фильтров на первом и втором тактах появляется не один «звенящий» фильтр, а несколько. В результате возникает не определенность в измерении расстояний из-за ряда ложных соче таний частот, определенных на первом и втором тактах, но отно сящихся к различным целям. Например, если в главном луче диа граммы направленности антенны находятся две цели, попадающие в один канал стробирования по дальности, то на первом такте без ЛЧМ будут измерены доплеровские частоты первой ¥АЦ\ и второй Рдц1 цели. При использовании ЛЧМ соответственно Afzl=Affli+FOTi и Afsa-Af^+Fjpfl. При вычислении дальномерных частот возмож ны четыре сочетания Af1 1 =Afi1-F;wl, A f^ -A fn -F ^ , Af21=Afr2-F;wi, Af22=Af12-Гдц2- Причем только значения Af^n Af22 соответствуют Д1Д1 и Afjg, поэтому вычисление дальностей по разностям Afn и Af22 даёт истинные оценки Д! и Д2, а по разностям Af12 и Af21 - ложные.
Для устранения этого недостатка применяют несколько до полнительных тактов работы с ЛЧМ несущей частоты импульсов в
286
пачке, но другими значениями крутизны изменения частоты (рис. 4.2.10).
В рассмотренном примере достаточно еще одного такта с кру тизной ЛЧМ равной S' [10]. В результате изменения крутизны из меняются значения дальномерных частот Мд1 и Мд2, поэтому из менятся значения суммарных частот Af^ и AfI2, измеренных на этом такте. В результате совместной обработки с результатами из мерения частот на такте без ЛЧМ будут также получены четыре разности Afu', Af12', Af21', Af22' и вычислены соответствующие дальности с учетом крутизны S'. Дальности, определенные по раз ностям Afn ' и Af22' равны истинным значениям Дх и Д2. Таким образом сравнение результатов измерения дальности на двух так тах с ЛЧМ позволяет отбросить ложные значения.
4.2.4. Измерение дальности и скорости методом перебора
частот повторения
Метод перебора частот повторения используется для однознач ного измерения дальности и скорости целей в режиме СЧПИ. Опи санный выше метод однозначного измерения дальности с исполь зованием ЛЧМ излучаемого сигнала не позволяет устранять, при сущую режиму с СЧПИ неоднозначность измерения скорости це ли. При работе с ВЧПИ метод перебора частот повторения исполь зуется редко, так как вследствие малой скважности сигнала высо ка вероятность попадания отраженного сигнала в «слепую» зону по дальности при изменении частоты повторения.
При применении режима излучения с СЧПИ непосредственно измеренными могут быть только неоднозначные (наблюдаемые) время задержки и доплеровская частота. Тем не менее эти значе-
ния, измеренные на различных частотах повторения, позволяют однозначно оценить дальность до цели. Следует отметить, что в процессе перебора частот повторения можно однозначно оценить дальность и скорость используя разные приёмы. Наиболее про стыми из них являются описанный ниже приём, связанный с вы числением коэффициента неоднозначности, и приём, основанный на использовании нониусного способа, рассмотренный в следую щем параграфе.
Для устранение неоднозначности по дальности последователь но излучаются, как минимум, две пачки импульсов. Частоты по вторения импульсов в пачках Fnl и Fn2 выбираются исходя из ба зовой частоты повторения Fn0, обеспечивающей однозначное изме рение расстояний в пределах всего возможного диапазона измере ния дальностей Дтах, т.е.
Еио^соДад^х). (4.2.17)
Значения Fnl и F^ не являются кратными и связаны отношением целых чисел
Fni=niFn0; Fn2=n2Fno, (4.2.18)
где nj, n2 - целые числа, которые не имеют общего делителя. При приеме отраженных сигналов для каждой пачки измеря
ется наблюдаемое время задержки тзн1 и тзн2 (рис. 4.2.11,а). Зави
симость |
изменениянаблюдаемых |
задержек x3Hi и тзн2 |
для двух |
частот |
повторения от истинной |
задержки т3показана |
на рис. |
4.2.11,6). |
|
|
|
Из рис. 4.2.11 видно, что по результатам двух измерений на блюдаемых задержек сигнала для истинной задержки можно со
ставить два уравнения |
|
т3=тТп1+тЗН1 , |
(4.2.19) |
т3=11Тп2-^^зн2> |
(4.2.20) |
где ш и п - количество целых периодов повторения импульсов Tnl= l/F ni и Тп2=1 /Fn2, попадающих в пределы интервала истин ной задержки т3.
Если умножить обе части равенств (4.2.19) и (4.2.20) на с0/2, то получим аналогичные соотношения для истинной дальности цели
Д= т ДДодн1+ Дн1> |
(4.2.21) |
Д=пДЦода2+Дн2» |
(4.2.22) |
где АДода^СоТщ/2 и АДодаг^СоТпг/ 2 “ интервалы однозначного измерения дальности при использовании первой и второй пачек импульсов; Д„1 и ДН2 - наблюдаемые дальности, связанные с из меренными значениями т8Н| и тЭН2 соотношениями: ДН1=сотзн1/ 2>
Дн2=с0тзн2/2в
В общем случае система уравнений (4.2.21), (4.2.22) обычным алгебраическим методом не решается, так как на два уравнения имеется три неизвестных: m, п и Д (следует отметить, что при увеличении количества уравнений число неизвестных всегда будет на единицу больше). Один из вариантов решения заключается в прямом переборе значений т и п начиная от ш=0 и п—О до m=njrl и пвп2-1. При некотором сочетании коэффициентов неоднозначно сти m и п результирующая величина Д оказывается одинаковой. Это и есть решение системы уравнений для расстояния Д при из меренных величинах Дн1 и Дн2.
Рассмотрим пример определения однозначного расстояния до цели методом перебора т и п . Предположим, что выбраны не кратные частоты повторения импульсов Fnl=15 кГц, и Fn2=18,7
кГц. Соответственно периоды повторения импульсов равны Tni=67 мкс, и Тп2=54 мкс. Тогда интервалы однозначного измерения дальности Д Д одн ^ оТ ^ /г^ О км, АДодн2=с0Тп2/2 *8 км. В процессе наблюдения найдено, что при использовании первой пачки им пульсов с Fni измеренная дальность Дн1=6 км, а при использова нии второй пачки Дн2==2 км . Подставим полученные значения в систему уравнений (4.2.21), (4.2.22)
Д[км]=тх10+6, |
(4.2.23) |
Д[км]=пх8+2. |
(4.2.24) |
Последовательно вычисляем Д по формуле (4.2.23) при т®0,1,2,...
и по формуле (4.2.24) при п=0,1,2,... . Вычисления сведём в табл. 4.2.1.
|
|
|
|
|
Таблица 4.2.1. |
|
ш |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
• |
ДГкм] |
6 |
16 |
26 |
36 |
46 |
|
п |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
... |
. Д1км1 |
2 |
10 |
18 |
26 |
34 |
... |
Видно, что при ш=2 и п=3 расстояния, вычисленные по формулам (4.2.23) и (4.2.24), оказались равными 26 км. Это и есть истинное расстояние до цели. Отметим, что в реальных условиях совпадение вычисленных значений дальности происходит внутри некоторого интервала по дальности, обусловленного ошибками измерения не однозначных дальностей.
В ряде случаев целесообразно заранее выполнить необходимые расчеты по (4.2.23), (4.2.24) для возможных значений Ди1, Дн2 при использовании данных частот повторения и результаты свести в таблицу соответствия Д ^ и Д ^ однозначной дальности Д, кото рая может быть записана в ПЗУ бортовой ЭВМ.
Другой способ решения системы уравнений (4.2.23), (4.2.24) связан с определенным выбором частот повторения импульсов в пачках, при котором коэффициенты неоднозначности ш и п , вхо дящие в измеряемую величину дальности цели, не отличаются больше, чем на единицу во всем диапазоне измерения расстояний.
Выберем период повторения импульсов Тп2 во второй пачке
больше чем в первой на величину |
|
AT=Tnl/Q8, |
(4.2.25) |
где Тп1 - период повторения импульсов в первой пачке; Qs - целое число. Интервалы однозначного измерения дальности для первой