2. Многоканальные измерители угловых координат

2.1. Многоканальные методы автосопровождения

Одноканальные следящие измерители часто не обеспечивают необходимой точности измерения. Причиной являются искажения сигнала ошибки за счёт флюктуаций вторичного излучения. Кроме того, одноканальные следящие измерители обладают низкой помехоустойчивостью. Активная помеха в виде несущей, модулированной частотой сканирования, поставленная с борта сопровождаемой цели, приводит к срыву сопровождения.

Низкая точность и помехоустойчивость одноканальных методов из­мерения обусловлены тем, что угловая окраска выявляется путём срав­нения амплитуд сигналов, последовательно принимаемых при разных по­ложениях луча. Если амплитуда сигналов флюктуирует, то угловая ок­раска при этом искажается. Эти недостатки в значительной степени устраняются при переходе к методу сравнения сигналов, одновременно принимаемых по нескольким каналам. Метод получил название метода мгновенного сравнения сигналов.Чаще всего для измерения одной угловой координаты используют двухканальную систему. Простейшим типом измерителя является амплитудно-разностный (рис. 38). Характеристики направленности антенн образуют равносигнальное направление (РСН). Принимаемые каждой антенной сигналы усиливаются, детектируются и подаются на вычитающее устройство. Если коэффициенты передачи каналов равны, то пеленгационная характеристика системы определяется как разность диаграмм на­правленности первого и второго каналов.

Такую же пеленгационную характеристику имеет и одноканальная система с переключением луча (рис. 39), если при каждом положении луча её характеристики совпадают с характеристиками соответствующего канала двухканальной системы. Линия задержки на период повторения Т введена для удобства сравнения её с двухканальной. Её наличие поз­воляет наблюдать разность амплитуд сигналов на выходе схемы разности, полученной при первом и втором поло жениях луча.

Отличия этих двух схем будут принципиальными, если измерение осуществляется при наличии амплитудных флюктуаций сигнала. Временные диаграммы, представ­ленные на рис. 40 и рис. 41 со­ответственно для двухканального и одноканального измерителей, поясняют физический смысл этих от­личий. Источник излучения находится на равносигнальном направлении. В двухканальной системе сигналы на выходе детекторов первого и вто­рого каналов одинаковы и полностью вычитаются. Разностный сигнал равен нулю, так как отсутствует ошибка измерения - цель находится на равносигнальном направлении. (Третья диаграмма - пуста).

Для схемы с переключением луча этот же сигнал от источника, находящегося на РСН, будет поочерёдно приниматься при первом и втором положениях луча. Импульсы, принимаемые при втором положении луча, за­чернены (рис. 41). Как видно из рис. 41, флюктуации амплитуд импуль­сов приводят к появлению остатков на выходе схемы разности, хотя цель, как и прежде, находится на РСН. Среднее значение напряжения остатков равно нулю, поэтому их наличие приведёт лишь к увеличению флюктуационной ошибки измерителя. Если цель флюктуирует медленно, а частота посылки импульсов (переключение луча) велика, то остатки будут малыми, так как амплитуда сигнала не успевает измениться за вре­мя переключения луча. Если флюктуации цели будут быстрыми, то остаточные сигналы на выходе схемы разности будут велики и точность сопровождения ухудшится.

Проведём количественное сравнение двух схем пеленгации для слу­чая, когда флюктуации цели являются настолько быстрыми, что сигналы в смежных периодах независимы. Сигнал ошибки на выходе схемы разно­сти будет случайной величиной. Наиболее важными характеристиками сигнала ошибки являются среднее значение и дисперсия. Очевидно, их величина будут изменяться в зависимости от углового рассогласования источника относительно РСН. Зависимость среднего значения сигнала ошибки от углового рассогласования цели относительно РСН определяет пеленгационную характеристику измерителя Ū(α). Зависимость диспер­сии от углового рассогласования - флюктуационную σ²(α). Чем выше крутизна пеленгационной характеристики и меньше дисперсия флюктуаций, тем меньше ошибки сопровождения.

Определим вид пеленгационных и флюктуационных характеристик вблизи РСН для двух типов измерителей. Действием внутриприёмного шу­ма в каналах пренебрежём. Аппроксимируем диаграммы направленности каналов вблизи РСН линейными функциями (рис. 42)

(48)

где f_p - значение коэффициента передачи на РСН; f΄_p - крутизна на РСН.

Для схемы с мгновенным сравнением сигналов напряжение на выходе схемы разности

, (49)

где А - случайная амплитуда принимае­мого сигнала. Учитывая (49), получаем

, (50)

В (50) случайной величиной является лишь амплитуда сигнала А, величина 2f΄_pα является неслучайным коэффици­ентом. При определении среднего значения Ū(α) неслучайный весовой коэффициент умножается на среднее значение амплитуды (А). Тогда пеленгационная ха­рактеристика определяется выражением

. (51)

При определении дисперсии U(α) квадрат неслучайного коэффициента (2f΄_pα) умножается на дисперсию случайной величины А. Тогда флюктуационная характеристика схемы с мгновенным сравне­нием сигналов (двухканальной) определяется

. (52)

Пеленгационная и флюктуационная характеристики двухканальной систе­мы показаны на рис. 43.

Для схемы с переключением луча на­пряжение на выходе схемы разности оп­ределяется

, (53)

где А₁ и А₂ - случайные независимые амплитуды сигнала при первом и втором положениях луча. Пеленгационная харак­теристика определяется как среднее зна­чение

. (54)

Так как среднее разности двух случайных величин равно разности сред­них, то

. (55)

Так как среднее значение амплитуды сигнала А не зависит от положе­ния луча, то Ā₁=Ā₂=А. Тогда, с учётом (48),

, (56)

т.е. пеленгационная характеристика совпадает с выражением (51), определяющим пеленгационную характеристику схемы с мгновенным срав­нением сигналов.

Определим флюктуационную характеристику для схемы с переключе­нием луча

.

Подставляя U(α) и Ū(α), определённые (53) и (56), получаем

. (57)

Перегруппировав слагаемые в (57), получаем

После возведения в квадрат получим

Учитывая, что , а , так как флюктуации амплитуд импульсов (отклонения от среднего значения) независимы, то

Используя вместо f₁ и f₂ их аппроксимации (48), получаем выражение для флюктуационой характеристики (без учёта внутриприёмных шумов)

(58)

Пеленгационная и флюктуационная характеристики для схемы с переключением луча показаны на рис. 44. Сравнение флюктуационных кривых для схемы с мгновенным сравнением сигналов и схемы с переключением луча (рис. 43 и рис. 44) показывает, что вблизи РСН схема с мгновенным сравнением обладает существенным преимуществом (²_()→0), тогда как для одноканальной схемы ²_() = 2²_Аf²_p .

Рассмотренная двухканальная схема амплитудно-разностного измерителя (рис. 38) не находит широкого применения из-за чувствительности к различию коэффициентов усиления каналов. Небольшое изменение коэффициента усиления одного из них вызывает смещение нуля пеленгационной характеристики (  на рис. 45), что создаёт ошибки в измерении угловых координат. На практике широкое распространение получила схема суммарно-разностного измерителя с амплитудным сравнением сигналов (рис.46). Лучи антенны сдвинуты на угол  относительно РСН.

Сигналы на выходе антенны синфазны, угловая информация заключена в соотношениях их амплитуд. Образование суммы и разности в схеме рис. 46 эквивалентно суммированию и вычитанию диаграмм направленности каналов. Поэтому часто пользуются понятиями суммарная и разностная диаграммы направленности (рис. 47а,б).

Для формирования сигнала ошибки необходимо сохранить сдвиг фаз между суммарным и разностным сигналами, поэтому преобразование на промежуточную частоту осуществляется от общего гетеродина. С выхода смесителя суммарного канала сигналы поступают в канал дальности (УПЧ_, АД - амплитудный детектор, АСД), где выделяется часть дистанции, соответствующей цели, выбранной для сопровождения. Формируемые в блоке АСД селекторные импульсы стробируют УПЧ_ и УПЧ_. После усиления на промежуточной частоте сигналы выделенной цели поступают на фазовый детектор. Сигналы на выходах УПЧ_ и УПЧ_ формально можно записать

Напряжение на выходе фазового детектора пропорционально произведению этих сигналов

Второе слагаемое отфильтровывается, поэтому напряжение сигнала ошибки

(59)

Величина ошибки (по модулю) пропорциональна произведению амплитуд и увеличивается при отклонении цели от РСН. Знак ошибки определяется разностью фаз сигналов в каналах. При отклонении влево разностная диаграмма отрицательна (рис.47,б), _-_=, cos(_-_)= -1, ошибка отрицательна. При отклонении вправо _-_ =0, cos(_-_)= 1 - ошибка положительна. Пеленгационная характеристика изображена на рис. 47,в.

Важным свойством суммарно-разностного измерителя является ста-бильность нуля пеленгационной характеристики. Изменение амплитудных и фазовых характеристик УПЧ трактов влияет только на крутизну пеленгационной характеристики (рис. 47,в пунктир). АРУ поддерживает средний уровень суммарного сигнала на входе фазового детектора постоянным, а также равенство коэффициентов усиления УПЧ_ и УПЧ_ . Это достигается использованием в цепях регулировок только управляющего напряжения суммарного канала.

Находят применение фазовые суммарно-разностные измерители (рис.48).

Антенны имеют одинаковые диаграммы направленности и разнесены в пространстве на расстояние d . Это расстояние называется базой. Направления максимумов лучей параллельны. Угловая информация заключена в разности фаз принимаемых сигналов (амплитуды одинаковы). Если цель отклонена вправо и расположена под углом  к направлению, перпендикулярному к базе, то фазовый сдвиг равен

. (60)

Геометрически сигналы представлены на рис. 49 в виде векторов одинаковой длины с углом  между ними. При отклонении цели влево на такой же угол векторы на диаграмме поменяются местами. Сигналы подвергаются суммарно-разностному преобразованию и фаза суммарного сигнала сдвигается на /2.

Из векторных диаграмм, иллюстрирующих эти операции следует, что суммарный и разностный сигналы на выходе синфазны или противофазны в зависимости от направления рассогласования цели. Если рассогласования нет, то разностный сигнал равен нулю. Такой же вид имеют сигналы после суммарно-разностного преобразования в амплитудной схеме (рис.46), поэтому вся дальнейшая обработка будет аналогичной. Таким образом схема фазового измерителя отличается от амплитудной наличием дополнительного фазового сдвига в суммарном канале на /2. Если не принимать дополнительных мер, то из-за периодичности фазового сдвига ( как функция угла периодична (см. (60)), в фазовой системе возможна многозначностъ нулевых пеленгационных направлений. Для устранения этого недостатка необходимо согласовывать размер базы - d с амплитудной направпенностью каналов.

Важным преимуществом двухканальных угломеров по сравнению с одноканальными является тот факт, что любая помеха, поставленная с борта сопровождаемой цели, не приводит к нарушению слежения за ней.