Экзамен РЛС / ЛИТЕРАТУРА / МЕТОДИЧКИ / ГУ,АП СЕЛЕКЦИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ

2

Составители: В.П. Пашкевич, В.А. Ракович

Рецензенты: кафедра радиопередающих и телевизионных устройств Ленинградского института авиационного приборостроения;

кандидат технических наук А.Н.Большаков

Приведены краткие сведения из теории. Дано описание лабораторной уста-

новки и порядка выполнения работы. Предназначена для студентов радиотехнического факультета.

Подготовлена к публикации кафедрой радиотехнических систем по реко-

мендации методической комиссии радиотехнического факультета Ленинградского института авиационного приборостроения.

© Ленинградский институт авиационного приборостроения

(ЛИАП), 1988

_____________________________________________________________________

3

Цель работы: изучение принципов построения, основных технических характеристик и методики экспериментального исследования систем селекции дви-

жущихся целей.

Методические указания по подготовке к работе

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить зачёт по коллоквиуму. При подготовке к коллоквиуму необходимо ознакомиться с

разделами 1-3 настоящего руководства, с составом аппаратуры лабораторной установки и задачами экспериментальных исследований.

1.НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ СЕЛЕКЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ (ЦЕЛЕЙ)

Среди большого количества отражённых сигналов есть такие, которые в

ряде случаев не представляют интереса. Это сигналы, отражённые от зданий, холмов, деревьев, поверхности моря и т.д. Они получили в радиолокации специ-

альное название - пассивные помехи.

Полезными сигналами часто являются отражения от движущихся объектов (например, самолётов). На рис.1 показаны два условных изображения экрана ин-

дикатора кругового обзора (ИКО), которые иллюстрируют эффективность селекции движущихся объектов. Рис. 1,а - изображение на экране ИКО при наличии пассивных помех от неподвижных отражателей. Заштрихованная область показы-

вает участок яркой засветки экрана. Рис. 1,б - изображение на экране ИКО после

выделения только движущихся объектов (целей).

1.1Принцип действия системы селекции движущихся объектов

Для выделения движущихся целей на фоне пассивных помех используется эффект Допплера, состоящий в том, что несущая частота сигнала, отражённого от движущегося объекта, отличается от несущей частоты передатчика тем более, чем больше радиальная скорость объекта. Физический смысл этого эффекта

можно пояснить следующим образом. Пусть передатчик излучает непрерывное колебание частоты fпрд (рис.2).

Если приёмник неподвижен относительно передатчика, то, поскольку скорость распространения радиоволн постоянна, приёмник в единицу времени примет то число колебаний, которое излучает передатчик, т.е. принимаемая частота

fпрм = fпрд .

Если же приёмник приближается к передатчику, т.е. движется навстречу

4

распространяющимся колебаниям (набегает на них), то за такое же время он примет некоторое дополнительное число колебаний, которое не смог бы принять ос-

таваясь неподвижным, т.е. fпрм > fпрд. Если же приёмник удаляется от передатчика, то он примет меньшее число колебаний, чем принял бы, оставаясь неподвижным,

так как часть колебаний из числа уже поступивших в ту точку, где он находился, ещё не достигнет той точки, в которой находится сейчас. В данном случав fпрм < fпрд .Для активной радиолокации имеет место двукратный эффект Допплера, при

этом отклонение принимаемой частоты от излучённой - допплеровская поправка Fд = fпрм ± fизл определяется [1]

рость распространения радиоволн. Знак минус указывает, что при удалении объ-

екта (Vr > 0) допплеровская поправка имеет отрицательный знак. Часто знак минус опускают.

Рассмотрим проявление эффекта Допплера в импульсной РЛС. Если объект неподвижен (здание на рис. 3), то запаздывание отражённого импульса относительно зондирующего постоянно от периода к периоду. Если объект (на рис. 3 самолёт) приближается - запаздывание уменьшается за период на величину ∆tз.

Велико ли это изменение времени запаздывания от периода к периоду? Как

его заметить и оценить количественно?

Пусть самолёт приближается со скоростью Vr, и в момент t=0 находится на

Закон движения можно представить в виде графика в декартовой системе коор-

динат дальность – время. Это прямая АВ (рис.4). Угол наклона её с осью абсцисс

5

обозначен через α, и численно tgα=Vr – радиальной скорости объекта. Момент t1

на оси абсцисс определяет начало излучения зондирующего импульса, момент t2

– начало приёма отражённого. Будем условно считать этот импульс первым. Пунктирными линиями показаны законы движения излучённого и отражённого им-

пульсов в координатах дальность – время. Углы наклона пунктирных линий к оси

абсцисс обозначены через β, tgβ равен скорости распространения радиоволн

(скорости света). Интервал t21 определяет время запаздывания отражённого сигнала. Второй импульс излучается в момент времени t3 (t3- t1=Т период повторе-

ния) и принимается в момент t4 (рис. 4). Время его запаздывания t4з = t4- t3. Необ-

ходимо определить изменение времени запаздывания за период ∆tз= t21- t4з.

В более крупном масштабе закон движения перенесён на рис. 5. Точки встречи

первого и второго импульсов с объектом обозначены через С и D соответственно

и выполнены необходимые построения для определения ∆tз. Из точки D пункти-

ром проведена горизонтальная прямая DЕ , из точки F - прямая параллельная

прямой, определяющей закон движения первого излучённого импульса. Отрезок

EF численно равен ∆tз. Опустим перпендикуляр СG на прямую EF. С одной сторо-

ны,

Учитывая, что GE=GF=∆tз /2, а отрезок ED равен промежутку времени между мо-

ментами излучения первого и второго импульсов, т.е. периоду повторения Т, по-

лучаем

GD=ED – GE=T - ∆tз /2.

Подставляя значение tgα=Vr, и tgβ=c в (3) и (4) и приравнивая их правые части,

Интересно отметить, что смещение отражённого импульса в каждом следующем периоде повторения приводит к уменьшению периода повторения отражённых

сигналов по отношению к периоду излучённых. Из рис. 5 следует

Тотр=Т-∆tз .

А это значит, что частота повторения отражённых импульсов больше, чем частота

излучённых

Fотр = 1(T −∆ tз )> 1T .

Если бы цель удалялась, частота отражённых импульсов была бы меньше чем

7

колебаний. При этом импульс оказывается в противофазе по отношению к опорному напряжению. На выходе сумматора в момент прихода импульса амплиту-

да напряжения уменьшается. На выходе разделительного конденсатора наблюдается видеоимпульс отрицательной полярности (диаграмма UФД - пунк-

тир). Таким образом, фазовый детектор очень чувствителен к изменению задержки отражённого сигнала. При изменении задержки всего лишь на половину периода высокочастотных колебаний полярность видеоимпульса на выходе фа-

зового детектора изменяется на противоположную.

При произвольной задержке отражённого импульса сдвиг его фазы по от-

ношению к фазе опорного гетеродина может принимать любое значение в пре-

делах от 0 до 2π. Амплитуда и полярность импульса на выходе фазового детек-

тора легко определяется графически из векторной диаграммы. На рис.8 при-

ведены векторные диаграммы для случаев ∆ϕ=450 и ∆ϕ=1350.

Амплитуда и полярность импульса определяется как разность длин векторов |UΣ|-|Uоп|. При ∆ϕ=450 |UΣ|>|Uоп| - импульс положительной полярности. При

∆ϕ=1350 |UΣ|<|Uоп| - импульс отрицательной полярности (рис. 8). Рассмот-

рим закономерности изменения напряжения на выходе фазового детектора в импульсной РЛС с опорным гетеродином на примерах.

Неподвижный объект

Пример А. Если опорный гетеродин стабилен, разность фаз зависит

только от временного запаздывания импульса. Для неподвижного объекта запаздывание в каждом такте постоянно, следовательно, постоянна и разность фаз между каждым из принятых импульсов и опорным напряжением. На рис. 9 показаны четыре последовательных такта с импульсами от неподвижного объекта (импульсы расположены на одной вертикали). Справа изображены векторы Uon, Uc и UΣ в каждом такте. Так как временное запаздывание импульса постоянно - не меняется и взаимное расположение векторов Uon, и Uc. Амплитуда видеоимпульсов на выходе фазового детектора в разных тактах остаётся

постоянной. Естественный временной порядок следования импульсов на выходе фазового детектора показан на рис. 10. Для случая, изображённого на рис. 9,

дальность до неподвижного объекта такова, что принимаемый импульс суммируется в фазе с опорным напряжением гетеродина. В момент действия им-

пульса амплитуда на выходе сумматора увеличивается. При других дальностях

до неподвижного объекта фазовый сдвиг между импульсом и опорным напря-

жением может принимать такие значения, что при появлении импульса амплитуда напряжения на выходе сумматора уменьшается. Тогда на выходе фазового детектора наблюдаются импульсы постоянной амплитуды отрицательной полярности (рис. 11).

9

третьем такте задержка импульса еще изменилась на ½Т0 - импульс и опорное напряжение опять синфазны, в четвёртом - противофазны.

Так как в первом такте сигнал синфазен с опорным напряжением, в момент его появления амплитуда на выходе сумматора (в фазовом детекторе) увеличи-

вается. На рис. 12 справа от импульса первого такта показаны векторы Uon, Uc и

UΣ. На выходе фазового детектора будет наблюдаться видеоимпульс положи-

тельной полярности. Во втором такте импульс и опорное напряжение противофазны. В момент появления импульса амплитуда на выходе сумматора уменьшается по отношению к Uon. Импульс на выходе фазового детектора отрицательной

полярности. В третьем такте - опять импульс положительной полярности, в четвёртом - отрицательной и т.д.

На рис. 13 импульсы 1 - 4 тактов показаны в естественном временном порядке. Они образуют последовательность импульсов чередующейся полярности.

Интересно, как быстро должен двигаться объект, чтобы последователь-

Из (6) следует, что расстояние, на которое приближается объект за период повторения РЛС должно быть равно λ/4 . Таким образом, если в первом такте сигнал и опорное напряжение были в фазе, а за период повторения Т объект приблизился к нам на λ/4 (путь сигнала туда и обратно укоротился на 2λ/4=λ/2), то во втором такте колебания будут противофазны, в третьем опять синфазны и т.д. Поскольку за два такта фаза сигнала изменяется на 360°, то период пульсации Тп=2Т=2/F (F

- частота повторения импульсов).

Пример В. Пусть объект приближается медленнее, чем в примере Б, и за такт задержка изменяется не на Т0 /2, а на Т0 /n (n>2). Фаза сигнала изменится на 360° за n тактов. При этом объект успеет пройти за это время расстояние λ/2 и

путь волн туда и обратно сократиться на λ. Период пульсаций будет Тп=nТ (рис.

14), а частота пульсаций

Fn = nT1 = n1 F

Установим связь между частотой пульсации и скоростью цели. Подставляя значение ∆tз = Т0/n в (5), получаем

Tn0 = 2VcrT ; или 2Vcr f = nT1 = Fn . (7)

Сравнивая (7) и (1) замечаем, что Fn = FD , т.е. частота пульсаций равна доппле

10

ровской частоте (f=fизл). Таким образом, для медленно движущегося объекта, определяя частоту пульсаций импульсов на выходе фазового детектора, можно измерить скорость объекта Vr = Fnλ2 .

На экране индикатора с амплитудной отметкой (осциллографе), подключённого к выходу

фазового детектора, неподвижные объекты будут видны как импульсы постоянной амплитуды той или иной полярности

(импульсы А и В на рис.15,а). Движущийся объект будет представлен в виде импульса

переменной амплитуды и полярности (рис.15, импульсы ДО).

Если множество пассивных отражателей образуют протяжённый объект

(например, земная поверхность), то на выходе фазового детектора наблюдается непрерывная реализация пассивной помехи, которая повторяется от такта к такту,

не изменяя своего вида. Импульс, отражённый от движущегося объекта, суммируется с напряжением помехи, находящейся в том же элементе разрешения и пульсирует от такта к такту вследствие движения объекта (рис. 15,б).

Быстро движущийся объект

Для медленно движущегося объекта изменение задержки за такт ∆tз ≤ ½T0. При этом частота пульсаций импульсов на выходе фазового детектора равна частоте Допплера. При ∆tз = ½T0 частота пульсаций равна половине частоты повторения импульсов

Оказывается, это самая большая частота пульсаций, наблюдаемая на выходе

фазового детектора. В этом можно убедиться рассматривая примеры.

Пример Г. Пусть объект движется быстрее и изменение задержки за такт в

два раза больше, чем в примере Б, т.е. ∆tз= T0 . Частота Допплера изменяется

пропорционально скорости, а значит и изменению задержки за такт, поэтому частота Допплера увеличится также в два раза по сравнению с (8), т.е. Fд = Fn. А как

же изменится частота пульсаций? Сдвигаясь по оси времени точно на период вы-

сокой частоты (∆tз =T0, рис. 16) сигнал в каждом новом такте будет иметь один и

тот же фазовый сдвиг по отношению к опорному напряжению. На рис.16 сигнал в

каждом такте остаётся синфазным с опорным напряжением (максимумы синусоид совпадают). Поскольку сдвиг фаз определяет величину (амплитуду) и полярность