Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы радиолокации и радионавигации. Учебное пособие.pdf
=
Рис. 1.2
Из рисунка 1.2 следует, что расстояние Дц от РЛС до отражающего
объекта определяется как
5,0Д сt
, (1.1)
зц
где tз – время запаздывания.
Различают импульсный, частотный и фазовый методы измерения
дальности.
ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД. В импульсном методе зондирующий сиг-
нал Uм(t) представляет собой периодическую последовательность коротких радиоимпульсов τи, повторяющихся с периодом Ти (рис. 1.3).
Такая последовательность радиоимпульсов вырабатывается генератором радиочастоты (ГРЧ), модулируемым видеоимпульсами импульсного модулятора ИМ, который запускается короткими импульсами запуска
(рис. 1.4). Импульсы запуска, синхронизирующие работу всей РЛС, вырабатываются синхронизатором С.
Рис. 1.3
11
В связи с тем что в импульсной системе излучение зондирующих и
приём отражённых сигналов разнесены по времени, обычно используется
одна антенна А, переключаемая с приёма на передачу и обратно специальным антенным коммутатором – антенным переключателем АП. Зондирующие радиоимпульсы поступают через него в антенну и излучаются
в виде электромагнитных волн в направлении, определяемом положением
в пространстве её диаграммы направленности. Эти волны в процессе распространения при встрече с любым объектом отражаются от него и часть
их U0(t) поступает в антенну, из неё через антенный переключатель в радиоприёмное устройство ПРМ, а затем в индикаторное устройство ИУ.
Время запаздывания принятых сигналов относительно излученных определяется дальностью до объекта отражения.
В простейшем случае индикаторное устройство выполняется на
электронно-лучевой трубке и содержит, кроме неё, генератор прямоугольных импульсов ГПИ, запускаемый импульсами запуска. Импульс
ГПИ поступает на генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН,
вырабатывающий развёртывающее напряжение Up(t) (рис. 1.3). Под действием развёртывающего напряжения электронный луч перемещается от
левого края экрана ЭЛТ к правому, вызывая свечение линии на экране. Во
время развёртки положительные импульсы отражённых сигналов после
их фильтрации от помех, усиления и детектирования с выхода радиоприёмного устройства ПРМ подаются на верхнюю отклоняющую пластину,
вызывая в момент их поступления отклонение О электронного луча вверх.
Вследствие большой импульсной мощности зондирующий сигнал проникает в приёмное устройство и из него на вертикально отклоняющую пластину ЭЛТ, вызывая на её экране соответствующий выброс И в начале
развёртки, расположенный на нулевой дальности (рис. 1.4).
Рис. 1.4
12
Таким образом, на экране ЭЛТ образуется линейная развёртка даль-
<
<
ности с выбросами зондирующего и отражённых сигналов.
Расстояние на экране трубки между зондирующим и отражённым
импульсами l составляет
Д2
ц
vv K
t ===l , (1.2)
пзп
Д
с
ц
где vп – скорость движения электронного пятна; K – коэффициент пропорциональности.
Для удобства измерения дальности шкала ЭЛТ градируется в единицах дальности, например созданием электронных меток, период повторения которых соответствует выбранному интервалу дальности.
В силу использования в качестве зондирующих импульсов последовательности радиоимпульсов, период повторения Ти их должен быть выбран так, чтобы излучение последующих импульсов и очередной запуск
развёртки происходили не ранее того момента, когда придёт сигнал от
максимально удалённой цели, т.е. должно выполняться условие
Tt
. (1.3)
имакс з
Условие (1.3) получило название условия однозначного определения Д
и может быть представлено в виде
одн
. (1.4)
5,0Д сТ
иодн
1.2.4. Методы измерения угловых координат
При определении угловых координат целей используются ранее рассмотренные свойства радиоволн – постоянство скорости и прямолинейность распространения радиоволн. Определение углового положения может быть выполнено только в том случае, когда удаётся определить пространственное положение волнового фронта приходящей радиоволны.
Положение волнового фронта можно определить, если измерения выполняются в нескольких точках поля, разнесённых в пространстве. Таким
образом, измерительная система должна иметь в пространстве определённые размеры (апертуру). Методы определения направления на цель делятся на амплитудные и фазовые.
Амплитудные методы основаны на использовании направленных антенн. Амплитуда (огибающая) сигнала на выходе такой антенны есть
функция диаграммы направленности антенны.
МЕТОД МАКСИМУМА. В простейшем случае направленная антенна РЛС, расположенная в некоторой точке 0 (рис. 1.5), вращается равномерно с угловой скоростью ΩA.
Если в направлении θц от РЛС находится цель, то зависимость огибающей принимаемого сигнала от направления максимума диаграммы
направленности имеет вид, изображённый на рис. 1.6.
13
θ≈θ
Δ
γ−ψγ+
Ω
Ω=θ
θ
θ
θ
θ
Рис. 1.5
Рис. 1.6
Максимум огибающей соответствует направлению θц на цель. Ана-
лизируя зависимость огибающей принимаемого сигнала от угла поворота
антенны, можно по положению её максимума определить угол между направлениями на цель и опорным (например, направлением на север С).
Ввиду того что максимум диаграммы направленности выражен не
ярко (расплывчатый), точность определения угла невысока и оценивается
погрешностью
, (1.5)
2,0
5,0ц
где θ
– ширина диаграммы направленности.
0,5
Несмотря на указанный недостаток, метод широко применяется
в РЛС обзора, обнаружения и посадки. В них угловая координата цели
определяется по экрану индикатора как угол между направлением на север и лучом, проходящим через центр метки цели Ц, что при симметричной диаграмме направленности антенны соответствует максимуму огибающей (рис. 1.7).
МЕТОД СРАВНЕНИЯ. Данный метод иногда называют ещё методом
равносигнального направления. В нём используются две антенны с взаимно перекрывающимися диаграммами направленности (рис. 1.8).
Обычно диаграммы направленности I и II одинаковы, а их максиму-
θ
Рис. 1.7
мы смещены на угол 2ψ0. Такие диаграммы
могут быть описаны функциями:
ψ FF , (1.6)
)( ),(
00
где γ – угол смещения цели относительно
равносигнального направления РСН.
Под равносигнальным направлением понимают линию, проходящую через центр антенны РЛС и точку пересечения диаграмм
направленности.
14
γ+ψ=γ
γ−ψ=γ
ψ
=
γψ′
=
ψ
ψ
Рис. 1.8
γ
Колебания с выходов указанных антенн усиливаются в приёмниках
ПРМ1 и ПРМ2 и детектируются амплитудными детекторами Д1 и Д2,
а затем сравниваются (рис. 1.9).
Амплитуды колебаний могут быть представлены как:
FUU ; )()(
)()(
001
FUU , (1.7)
002
где U0 – амплитуда отражённого сигнала.
Функции, описывающие диаграммы направленности, можно разложить в ряд Тейлора относительно точки ψ0:
′
±ψ=γ±ψ FFFF
1
)()()(
+γψ
!2
2
′′
...)(
±γψ
0000
. (1.8)
Ограничиваясь первыми двумя членами разложения, получаем на
выходе суммирующего и вычитающего устройств, соответственно:
)(2
FUU ;
Σ
00
Δ
)(200FUU . (1.9)
γ
γ
Рис. 1.9
γ
γ
15
=
[
γ
Рис. 1.10
ла Δγ = (0,05…0,10)⋅θ
γ
γ
γ
и широко используется в РЛС с автоматическим
0,5
Из выражений (1.9) и соответствующих им графиков (рис. 1.10) следует,
что разностное напряжение позволяет
получить выходную однозначную функцию углового положения цели.
В отличие от метода минимума на
выходе суммирующего устройства имеется сигнал, когда цель находится на
равносигнальном направлении.
Рассматриваемый метод обеспечи-
вает высокую точность определения уг-
сопровождением цели по направлению.
1.2.5. Методы измерения скорости целей. Эффект Доплера в радиолокации
Определение радиальной составляющей скорости цели основано
на измерении доплеровского частотного сдвига принимаемых сигналов
относительно колебаний, генерируемых передатчиком РЛС. Рассмотрим
ситуацию, поясняемую рис. 1.11.
Антенна РЛС излучает колебания
)2cos()( ftUtu π
, (1.10)
где U – амплитуда колебаний; f – частота излучаемых колебаний.
Отражённый от цели сигнал на входе приёмного устройства имеет
вид
где U
– амплитуда принимаемых колебаний;
прм
]
, (1.11)
)(2cos)( ϕ+−π= ttfUtu
0зпрмпрм
tt)(Д2
= – время за-
з
с
держки отражённого сигнала; ϕ0 – начальная фаза отражённого сигнала.
Рис. 1.11
16
Частота f0 отражённых от движущейся цели колебаний определяется
λ
=
ϕ
как производная фазы колебаний по времени:
⎧
⎡
−π
tfd
2
⎨
⎢
ϕ
d
1
f
=
0
π
2
1
⎩
=
π
dt
2
с
⎣
dt
t
⎫
)(Д2
⎤
ϕ+
⎬
0
⎥
⎦
⎭
f
tdcf
)(Д2
dt
v2
f
р
−=−=
f
c
, (1.12)
где vp – скорость сближения цели с РЛС.
Разность частот излучённого и отражённого сигналов получила на-
звание доплеровской частоты:
v2v2
рр
0д
ffff
с
, (1.13)
==−=
λ
где λ – рабочая длина волны.
Из выражения (1.13) следует, что измерение скорости сближения мо-
жет быть выполнено с использованием доплеровского смещения частоты:
. (1.14)
5,0v f
др
Замечание 1. В общем случае, если цель движется со скоростью vц
под некоторым углом ϕц к PЛC (рис. 1.12), то радиальная скорость цели
может быть определена
. (1.15)
cosvv ϕ=
ццр
Замечание 2. В радиолокации используют различные сигналы.
При отражении таких сигналов от движущихся целей меняется форма
спектра и временная структура сигнала. Так как каждая составляющая
в спектре изменяется в соответствии с выражением
v2
⎛
⎜
1
ii
0
⎜
⎝
⎞
р
⎟
+=cff
, (1.16)
⎟
⎠
Рис. 1.12
17
где fi – частота i-й составляющей спектра излучаемого сигнала РЛС;
fi0 – частота i-й составляющей принимаемого сигнала, то меняется ширина
спектра сигнала (при удалении цели от РЛС спектр сужается, при приближении – расширяется). Однако эти изменения обычно очень малы.
Существенным является доплеровское смещение всего спектра.
1.3. МЕТОДЫ ОБЗОРА
Радиолокационным обзором называется периодическое облучение
всех точек заданной области пространства и приём сигналов тех целей,
которые находятся в этой области. Область пространства, в пределах которой осуществляется облучение и приём сигналов, называется зоной обзора. Она обычно ограничена максимальной дальностью обнаружения целей, минимальной дальностью действия РЛС, сектором обзора по азимуту
и углу места.
Радиолокационный обзор может быть одновременным, последовательным и смешанным.
При одновременном обзоре телесный угол зоны обзора одновременно просматривается одним или несколькими лучами диаграммы направленности антенны.
Последовательный обзор осуществляется одним лучом, переме-
щающимся в пределах зоны обзора.
При смешанном обзоре часть зоны просматривается одним лучом,
который перемещается последовательно по другой координате.
Время, необходимое для однократного облучения всех точек зоны
обзора, называется периодом обзора. Время, прошедшее с момента начала
до конца облучения цели, называется временем облучения. При одновременном обзоре период обзора Т
следовательном обзоре период обзора теоретически равен
равен времени облучения t
обз
ΦΦ
= tТ
облобз
умаз
, (1.17)
θθ
умаз
. При по-
oбл
где θаз, θум – ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности; Фум, Фаз – сектор обзора по углу места и азимуту.
В реальности время обзора Т
оказывается существенно больше
обз. реал
теоретического, так как время облучения цели меняется по зоне обзора
(из-за реверса движения луча). Эти различия характеризуются коэффициентом обзора K
На практике K
18
обз
:
= 1...3.
обз
. (1.18)
TKТ =
обзобзреал обз.
1.4. УСТРОЙСТВА РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ И ИХ ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
При всём многообразии радиолокационных устройств наблюдения у
них существует и много общего. Поэтому можно ввести обобщённую
схему радиолокационного устройства, взяв за основу активную РЛС с активным ответом, изображённую на рис. 1.13.
В общем случае аппаратура как РЛС, так и объекта включает передатчик ПРД, приёмник ПРМ, антенны Al и A2, синхронизирующее устройство СУ, оконечное устройство – индикатор И, в котором происходит
обнаружение сигналов и измерение их параметров. При работе в условиях
пассивных помех РЛС дополняется устройством селекции движущихся
целей СДЦ.
Чтобы запросный и ответный сигналы не создавали взаимных помех,
их обычно разносят по частоте. В этих системах ответные сигналы могут
отличаться от запросных не только по частоте, но и по форме. Это позволяет кодировать сигналы и использовать их для передачи дополнительной
информации.
В частных случаях тот или иной элемент обобщённой схемы может
отсутствовать, а работа на передачу и приём обеспечивается общей антенной через антенный коммутатор.
Так, в активной РЛС с пассивным ответом аппаратура на объекте наблюдения полностью исключается, а работа производится по отражённому от объекта сигналу. Для отсчёта временного и частотного сдвигов
(дальности и радиальной скорости) в качестве опорного используется излучаемый сигнал. Индикатор фиксирует факт наличия объекта в зоне обзора и его координаты: данные выдаются в аналоговой или цифровой
форме.
РЛС
СУ ПРД
А1
«Запрос»
А2
Объект
ПРМ
ПРМИ
А2
«Ответ»
А1
ПРД
СДЦ
СУ
Рис. 1.13
19
В разнесённых системах для измерения дальности и радиальной скорости обязательно наличие эталонов времени и частоты, что усложняет
аппаратуру. Для измерения угловых координат любыми методами эталоны не нужны.
Системы пассивной радиолокации отличаются от других полным отсутствием специального оборудования на объекте и передатчика РЛС.
Сама РЛС содержит только приёмно-измерительный тракт. Ввиду этого
затрудняется возможность измерения дальности и радиальной скорости
объекта.
Таким образом, непременными элементами всякого радиолокационного устройства наблюдения является антенна, приёмник и оконечное
устройство (индикатор). Все остальные элементы служат для создания носителя информации – электромагнитного колебания. Параметры принятого сигнала содержат информацию о координатах объекта и их производных, для выделения которой в оконечном устройстве производится сравнение этих параметров с текущими или хранящимися в памяти.
Глава 2. ОБЪЕКТЫ РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТРАЖЁННЫХ СИГНАЛОВ
2.1. ФОРМИРОВАНИЕ ОТРАЖЁННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
Излучённый (зондирующий) сигнал не несёт полезной информации.
Только после отражения от цели сигнал становится переносчиком информации о ней. В процессе отражения радиоволн цель как бы играет роль
модулятора. Координаты, характеризующие цель, их изменение во времени (перемещение цели), преобразуются в конкретные изменения параметров отражённого сигнала.
При падении радиоволны на п
водимости (в проводнике) или токи смещения (в диэлектрике). Эти токи
являются источником вторичного излучения, т.е. цель превращается в излучатель, переизлучающий радиоволны в различных направлениях.
Переизлучаемая мощность зависит от материала, из которого состоит
цель, её размеров, формы и шероховатости поверхности цели. От металлических объектов, напр
имер, переизлучение обычно больше, чем от равных по размеру диэлектрических. Применение специальных поглощающих противорадиолокационных покрытий цели или отдельных её элементов может существенно снизить отражённую от неё мощность.
На переизлучаемую мощность также влияет соотношение размера
цели l
и длины волны λ. Если lц >> λ, то мощность переизлучения слабо
ц
зависит от λ и радиоволны хорошо отражаются. Если l
очень мала и обратно пропорциональна λ
оверхности цели наводятся токи про-
<< λ, то мощность
4
. Малые цели (по отношению
ц
20