flesh / Книга / 17_g

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

в точку положения цели Sэфф создает у антенны РЛС такую же плотность потока мощности, как и реальная цель.

Все цели, с точки зрения методов определения эффективной отражающей площади, делят на элементарные и сложные. ЭПР элементарных целей можно определить аналитически. Но число объектов такого вида ограничено. Это, например, шар, лист, вибратор, угловой отражатель и т.п.

ЭПР сложных целей определяют экспериментальнои ихописание возможно только в статистической форме. Сложными целями являются большинство реальных целей.

С позиции разрешающей способности сложныецели подразделяются на точечные и распределенные (поверхностные и объемные). На примере импульсной РЛС рассмотрим понятие «разрешаемый объем». На рис. 17.5 изображена ДН импульсной РЛС, симметричная относительно продольной оси.

A(D Dр с /2)

D

A Ц

CТи /2

A(D – Dр с /2)

Рис. 17.5. Определение «разрешаемого объема»

Для данного случая разрешаемый объем – область пространства, в которой цели не разрешаются по углам и дальности. По дальности неразрешаются цели, находящиеся на расстоянии друг от друга менее Dр с = CТи2, а по углам – в пределах угла – ширины ДН. Можно перейти к абсолютным величинам – объем имеет форму усеченного конуса с диаметрами оснований А(D ± Dрс 2). С большой степенью приближения разрешаемый объем может быть представлен в видецилиндра соснованием АD и высотой Dрс. Цели, находя-

218

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

щиесявнутри объема, воспринимаютсякакодна цельи, следовательно, они точечные. Цели, превышающиеобъем цилиндра, относятся к распределенным.

Реальные радиолокационные цели (самолеты, корабли и т.д.) являются сложными многоэлементными целями. Отраженный сигнал, принимаемый РЛС, образованв результатевекторногосложения элементарных сигналов и его интенсивность зависит от взаимного положенияцели и РЛС. Врезультатедиаграмма обратногорассеяния сложнойцелиизрезана.Изменениев пределах1°даетизменениеЭПР до 30 дБ. Так как ЭПР используется для расчета дальности РЛС, берутся усредненные величины. Полученные при наблюдении усредненные значения ЭПР для некоторых характерных целей приведены в табл. 17.1.

Как ужеотмечалось, при изменении взаимногоположения цели и РЛС на малую величину (около 1°) сигнал, отраженный от цели, флуктуирует (амплитуда, фаза, доплеровская частота, задержка). Это низкочастотные флуктуации – их основная энергия сосредоточена в диапазоне 0 – 10 Гц.

При облучении зондирующими сигналами распределенных целей сталкиваемся с несколькими видами отражений. Если поверх- ность«гладкая»–размерышероховатости поверхности малыпосрав-

219

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

нению с с, тоотражение происходит по законам геометрической оптики и угол падения равен углу отражения (зеркальное отражение, РЛС непринимаетобратнуюволнуза исключением«перпендикулярного» облучения). Если шероховатость поверхности соизмерима с длинойволны, тоотражение«диффузное», обратнаяволна равномерно рассеивается в пространстве и принимается РЛС.

В результате гладкие поверхности (спокойная водная поверхность, шоссе, взлетная полоса) на экранеРЛС из-за отсутствия отраженного сигнала создают затемненные зоны. Шероховатые поверхности (пашня, лес и др.) формируют умеренно засвеченные зоны, а инженерные сооружения создают сигнал большой интенсивности

иярко засвечиваются на экране. Результатом является контрастное радиолокационное изображение местности.

Объемно распределенная цель может быть естественного происхождения – скопление гидрометров (дождь, снег, град) и искусственного – облако из кусочков фольги (облако искусственных элементарных отражателей) – пассивная маскирующая помеха.

Выбор конкретной длины волны зависит от многих факторов. Она должна быть меньшегеометрических размеров цели. В радиолокации используются диапазоныволн отмиллиметровогодометрового. Наземные РЛС (за исключением загоризонтных) работают в диапазоне 10 сантиметров, а самолетные – 2 – 4 сантиметра. Это обусловлено, в том числе, связью ширины ДН А с длиной волны с

ираскрывом антенны dА:

17.1.1. Накопители пачек импульсных сигналов

Как уже говорилось, для обеспечения выделения слабых сигналов, отраженных от целей, необходимо осуществлять накопление энергии импульсов пачки. Самым простым накопителем является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) индикатора РЛС, применяющаяся в качестве устройства отображения информации. Необходим выбор ЭЛТ с достаточно длительным послесвечением. Если полезные сигналы, отраженные от цели, попадают в одну и ту же точку экрана, то

220

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

наблюдаетсяповышениеяркости свечения–эффектинтегрирования. Помеховые сигналы засвечивают экран в случайных местах, и яркость свечения люминофора от одиночного сигнала существенно меньше, чем от последовательности сигналов. Такоеявлениеиспользуют в РЛС обзорного типа.

Еслипредполагаетсяавтоматическийсъеминформации,томожно использовать накопитель с динамической памятью – рециркуля-

тор (рис. 17.6).

Л.З. T

сл

Рис. 17.6. Рециркулятор

Накопление энергии пачки импульсов осуществляется суммированием поступающего на сумматор импульса с импульсами, поступившими ранее и «хранящимися» в устройстве благодаря их циркуляции по цепи обратной связи. Для предотвращения самовозбуждения коэффициент передачи по цепи обратной связи должен быть меньшеединицы. Подбором коэффициента усиления усилителя обратной связи компенсируются потери в линии задержки. Так как достаточно часто используются ультразвуковые линии задержки (УЛЗ), потери в которых достигают 80 дБ, задача поддержания стабильного значения коэффициента передачи цепи обратной связи достаточно сложна и конструкция рециркулятора усложняется.

При использовании когерентной пачки импульсов их фазовая структура связана. С учетом доплеровского смещения частоты сигнала фазовую структуру можно считать известной.

Однаконеизвестна фаза первогоимпульса и еесчитаютслучайной величиной.

Накопление энергии импульсов пачки можно проводить как на промежуточной частоте, так и после демодуляции на видеочас-

221

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

тоте (рис 17.7). При использовании схемы (рис. 17.7, а) осуществляется накопление на промежуточной частоте.

б

Рис. 17.7. Накопитель энергии когерентной пачки импульсов на частоте: а – промежуточной; б – видео

После переноса с помощью смесителя частоты радиоимпульсовна промежуточнуючастотуи послеихпрохождениячерезфильтр, согласованный симпульсом пачки, они поступаютна линиюзадержки (ЛЗ) с отводами. Так как задержка между отводами ЛЗ составляет Тсл, то в случае точной и стабильной ЛЗ в сумматоре происходит суммирование импульсов пачки. После демодуляции в амплитудном детектореустраняетсянеопределенностьначальной фазыпервогоимпульса пачки, так как далеена пороговое устройство(ПУ) поступает огибающая просуммированных импульсов. В ПУ по соотношению между энергией принятой пачки импульсов и порогом, значение которого устанавливается с учетом априорной информации о помеховойобстановке,принимаетсярешениеоналичииилиотсутствиицели.

222

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

Однако реализация накопителей энергии на промежуточной частотеявляетсясложной техническойзадачей.При достаточнобольшом количестве импульсов в пачкевследствие нестабильности параметров ЛЗ растут фазовые набеги, а ведь речь идет о малых долях периода промежуточной частоты.

Можно упростить требования к точности и стабильности параметров, ЛЗ на несколько порядков, осуществляя накопление энергии пачки на видеочастоте. Но для сохранения достоинств использованиякогерентной пачки импульсов необходимоиспользоватьсинхронное детектирование принимаемых сигналов (рис 17.7, б).

Вслучаеприменениядвухквадратурныхканалов спротивофазными опорными колебаниямиустраняетсянеопределенность, связанная со случайностью начальной фазы первого импульса пачки. Так как применено синхронное детектирование, то сохраняется достоинство когерентной пачки импульсов, видеоимпульсы имеют одинаковуюполярностьи ихсуммированиеприводиткростуамплитудымаксимального отклика, приходящегося на конец пачки (в этот момент суммируются все импульсы пачки). Так как помеховые сигналы некогерентны, то при суммировании разнополярных сигналов амплитудаотклика нанихнеувеличивается.Врезультатеотношениесигнал/помеха увеличивается в n раз – пропорциональночислу импульсов в пачке. Послевозведения канальных сигналов в квадрат, их суммирования и извлечения из суммы квадратного корня получаем сигнал,аналогичный полученномупри амплитудномдетектировании, так как он не зависит от начальной фазы первого импульса.

Отличие вследствие доплеровского смещения частоты принимаемых сигналов от посланных (на нее настроена частота опорного гетеродина) приводит к появлению фазовых сдвигов между импульсами в пачке, в результате чего уменьшается выходной сигнал. Возможен момент, когда из-за разнополярности импульсов происходит их взаимная компенсация. Решением этой проблемы может быть реализация многоканального по скорости приемника, каналы в котором имеют опорные гетеродины, частоты которых сдвинуты относительно соседних на величину разрешения по скорости:

fогi+1 – fогi = fрс.

223

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Отметим, что требуемая высокая стабильность частоты опорных гетеродинов допускает нестабильность по частоте в пределах 10–7 – 10–8. Этоусложняеттехническуюреализациютакихустройств.

Структура приемника некогерентной пачки радиоимпульсов представлена на рис 17.8.

Рис. 17.8. Накопитель энергии некогерентной пачки импульсов

На схемесразу видно отличие накопителя некогерентной пачки импульсов отрассмотренныхранеенакопителейкогерентныхимпульсов. Отсутствие необходимости в сохранении внутренней высокочастотной структуры импульсов позволяет после согласованной фильтрации осуществить амплитудное детектирование сигнала.

Далее осуществляется синхронное суммирование видеоимпульсов. Но уже требуется стабильность в пределах видеоимпульса, а не его высокочастотного заполнения. Это требование снижает показатели стабильности на три порядка. Однако при этом теряется информация о доплеровском смещении частоты, что исключает получение информации о скорости цели и проведение селекции целей по скоростям, ниже чувствительности приемника. Так как детектирование осуществляется до накопления энергии пачки возможно подавлениеслабогосигнала в амплитудномдетекторе(нелинейномэлементе) помехой.

Многие трудности, связанные с использованием аналоговых методов накопления энергии пачки импульсов, преодолеваются при использовании цифровых накопителей. Прежде всего, исчезает проблема создания высокостабильной линии задержки сигнала на большое время. Возможно использование цифровых накопителей в коге-

224

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

рентных и некогерентных РЛС. После согласованной фильтрации аналоговыйсигналпреобразуетсявцифровуюформуспомощьюАЦП

(рис. 17.9).

Импульсы синхронизации

Рис. 17.9. Цифровой накопитель энергии некогерентной пачки импульсов

При преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму шаг дискретизации соответствует длительности импульса сигнала. Период следования Тсл зондирующих импульсов разбивается на числоградаций дальности ND =Tсл /tвб. Врезультатеразрешениеподаль-

ности Dрс= CtВб / 2.

C выхода АЦП последовательность в-разрядных двоичных чисел с интервалом tвб поступает в блок памяти БП, в котором, подобно ЛЗврассмотренныхранеенакопителях,сохраняютсянавремя(n-1)Тсл, после чего поступают на сумматор. Если сумма сигнала сумматора превышаетпорог,значитвданномэлементеградациидальностиKесть цель и дальность до нее D = СKtвб / 2.

17.1.2. Методы измерения координат

ирадиальной скорости целей

Врадиолокации основными методами определения угловых координат являются амплитудные методы – максимума и сравнения.

Метод максимума используется, как правило, в обзорных РЛС

иполагаетиспользованиеантеннысузкой диаграммой направленности. При сканировании зоны обзора во время прохождения лучом направлениянацельпринимаетсяпачка отраженныхимпульсов.Огибающая амплитуд принимаемых импульсов соответствует форме ди-

225

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

аграммынаправленности системы,а максимумогибающей –направ- лению на цель. Определение в моменте экстремума огибающей пачкиположенияантеннысоответствуетнаправлениюнацель(рис.17.3).

Нормированное выходное напряжение в функции угловой координаты называетсяпеленгационной характеристикойfП( )угломерного устройства.Приработетолькона приемfП( )=fА( ),т.е.совпадаетсДН антенны fА( ). При работе РЛС в активном режиме ДН используется дважды и fП( ) = fА2( ). Разрешениепоугловым координатам определяетсяпараметрамипеленгационнойхарактеристики.Техническаяреализация в дальнейшем будет приведена в схеме обзорной РЛС, сейчас же заметим, что достоинством метода максимума является его простота, а недостатком – относительно малая точность. Это связано с малой крутизной пеленгационной характеристики в месте ее максимума S = fП( n) = 0, врезультатечегопринятосчитать,чтозначение погрешности составляет0,2отшириныДН антенны,а вобзорныхРЛС она принципиальнонеможет быть очень узкой.

Метод сравнения используется в основном в РЛС следящего типа, так как он позволяет определять и знак (направление) отклоненияотравносигнальногонаправления(РСН). ДляформированияРСН используют двепересекающиеся в пространствеДН антенной систе-

мы (рис. 17.10).

Прм2

Рис. 17.10. Измеритель направления методом сравнения

226

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

Максимум лепестков ДН смещен от РСН на угол 0. В случае, если цель находилась в РСН, сигналы по обоим каналам равны и сигнал рассогласования отсутствует. При отклонении цели от РСН появляется сигнал рассогласования, величина которогонесет информацию о величине отклонения, а знак (канал) – о стороне отклонения. Так как РСН приходит на крутые спады ДН, реализуется высокая точность определения направления на цель. Реализация метода сравнения может быть различна. Это и создание антенных систем с несколькими смещенными относительно фокуса облучателями, и перемещениеодногооблучателяотносительнооси симметрии антенны.Примерыконкретныхреализаций методацелесообразнорассмотреть при изучении следящих систем по направлению.

Для цифрового измерения угловых координат необходимо перевести в цифровую форму измеряемую координату, например азимут, взяв за началоотсчета направлениена север, а такжезафиксировав начало и конец пачки, выявить еесередину. Далее следует осуществить привязку цифровой оси и центра пачки.

Измерение координаты дальности до цели основано на определении временипрохожденияизлученногосигнала доцелии обратнои переводе времени в расстояние на основе знания скорости распространения радиоволн. Следовательно, необходима фиксация двух моментов времени, т.е. память овремени отправления зондирующегосигнала.

В радиолокации в основном используются импульсный и частотный методы измерения дальности. При реализации импульсного метода время запаздывания измеряется дальномером (рис. 17.11).

Рис 17.11. Импульсный измеритель дальности: а – блок-схема; б – временные диаграммы

227