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

22

и фаз спектральных составляющих, поскольку спектральные линии всегда находятся точно в провалах АЧХ схемы ЧПК. Влияние хаотического движения отража-

телей, образующих помеху, вращения луча антенны на качество компенсации помехи рассмотрено в [1].

1.3. Когерентно-импульсный радиолокатор

Функциональная схема когерентного радиолокатора с компенсацией пассивных помех (неподвижных объектов) изображена на рис. 40. Высокочастотное

заполнение излучаемого сигнала и напряжения гетеродина формируются от одного задающего генератора, работающего в непрерывном режиме, путём умножения

частоты n и (n-1) раз.

В канале передатчика колебания усиливаются в мощном усилителе (УМ). В качестве мощного усилителя чаще всего применяются мощные клистроны, возможно также применение ЛБВ. Роль согласованного фильтра одиночного импульса вы-

полняет УПЧ, фазовые детекторы выделяют две квадратурные составляющие

сигнала от движущихся объектов в каждом из квадратурных каналов и подавляют сигналы пассивной помехи. Огибающие пульсирующих разностных сигналов

на выходах вычитателей сдвинуты по фазе на 90°, поэтому два двухполупериодных выпрямителя (ДВ) с квадратичными характеристиками и сумматор форми-

руют сигнал (U ∆2 c +U ∆2 s ) постоянной амплитуды. Этот однополярный сигнал по-

даётся на индикатор с яркостной отметкой. На индикаторе осуществляется накопление полезных сигналов. Для формирования развёртки на индикаторе даль-

ность-азимут на генератор развёртки (ГР) подаются импульсы от синхронизатора и управляющее напряжение от механизма вращения антенны (МВА).

На рис. 41 временными диаграммами поясняются операции обработки сигналов от движущегося объекта в квадратурных каналах. Огибающие импульсов от дви-

жущегося объекта на выходах фазовых детекторов U cs и Ucc сдвинуты по фазе на π/2. На выходах схем вычитания образуются разностные сигналы ∆U cs и ∆Ucc .

23

этому на выходе сумматора образуются импульсы постоянной амплитуды, так

как (∆Ucs )2 и (∆Ucc )2 =const

1.4. Радиолокатор с эквивалентной внутренней когерентностью

Схема когерентной РЛС (рис. 40) осуществима лишь при условии, если в ка-

честве передатчика используется мощный усилитель, усиливающий высокочас-

тотное напряжение, сформированное путём умножения частоты задающего генератора. В сантиметровом диапазоне волн передатчики часто строятся на магнетронах. Важным достоинством их является простота, экономичность, большая импульсная мощность, что позволяет обеспечить большую дальность действия РЛС. Магнетроны являются генераторами с самовозбуждением, поэтому они не спо

24

собны усиливать колебание постороннего задающего генератора, имеют случайную фазу по отношению к произвольному опорному напряжению. Относительная нестабильность частоты на интервале нескольких миллисекунд составляет ∆f/f0 = 10-6 - 10-7, поэтому каждый новый импульс магнетрона имеет несколько отличное

значение несущей частоты. Используя такой передатчик нельзя подавать на фазовый детектор опорное напряжение с фиксированной фазой. Необходимо на

время паузы между зондирующими импульсами запоминать фазу и частоту или хотя бы только фазу. Роль устройства, запоминающего только фазу каждого излученного импульса и тем самым осуществляющего эквивалентную когерент-

ность, выполняет специальный генератор - когерентный гетеродин. Колебания когерентного гетеродина фазируются колебаниями магнетрона во время излучения

импульса. В паузе между импульсами магнетрона когерентный гетеродин переводится в режим незатухающих колебаний с сохранением начальной фазы зондирующего импульса. В этом режиме когерентный гетеродин служит источником

опорного напряжения.

На рис. 42 процесс фазирования когерентного гетеродина поясняется более под-

робно. На рис. 42,а показаны зондирующие импульсы. В первом такте значение фазы ϕ1, во втором - ϕ2. Процесс фазирования когерентного гетеродина показан на рис. 42,б. Фазирующие импульсы вызывают вынужденные колебания с частотой и фазой передатчика. Амплитуда импульса нарастает в течение времени рас-

качки. С окончанием фазирующего импульса когерентный гетеродин переходит в область генерации. При этом контур гетеродина сохраняет информацию о на-

чальной фазе, но частота колебаний переходит к новому значению - собственной частоте контура когерентного гетеродина fкг которая определяется параметрами схемы. Поскольку начальная фаза колебаний передатчика и когерентного гетеро-

дина одна и то же, то она, очевидно, не влияет на разность фаз отражённого сигнала и когерентного гетеродина. Интересно, что хотя когерентный гетеродин за-

поминает только фазу импульса магнетрона и не запоминает частоту, система оказывается работоспособной. Объясняется зто тем, что хотя в паузе между им-

пульсами магнетрона колебания когерентного гетеродина происходят на собственной частоте, но если собственная частота когерентного гетеродина в паузах между импульсами имеет одно и то же постоянное значение, то жёсткая связь

между фазой сигнала и гетеродина сохраняется до момента прихода отражённого

сигнала. Поэтому сигналы, отражённые от неподвижного объекта (НО) (рис. 42,в),

25

в разных тактах имеют постоянный сдвиг фаз по отношению к напряжению когерентного гетеродина. Неподвижный объект будет на выходе фазового детектора

давать импульсы одинаковой амплитуды и полярности, а движущейся - переменной амплитуды и полярности. На рис. 42,г показаны два импульса от движу-

щегося объекта на выходе фазового детектора.

Схема радиолокатора с эквивалентной внутренней когерентностью и фазированием когерентного гетеродина на промежуточной частоте приведена на рис.

43. Основным отличием её от схемы когерентного радиолокатора является отличие в направлении фазирования. В случае когерентного радиолокатора фазиро-

вание ведётся от гетеродина (задающего генератора рис. 40) к передатчику - усилителю мощности. При эквивалентной внутренней когерентности, наоборот - от передатчика к когерентному гетеродину. Такие РЛС иногда называют псевдокоге-

рентными.

1.5. Влияние нестабильностей на качество компенсации помех.

Очевидно, частоты передатчика и когерентного гетеродина не идентичны. Поэтому предположение о жёсткой связи фазы когерентного гетеродина с фазой импульса магнетрона является лишь первым приближением. Отсутствие жёсткой

связи обусловлено наличием различного рода нестабильностей, возникающих при работе любого генератора. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

В каждом такте для неподвижного объекта текущее значение фазы коге-

рентного гетеродина можно определить как сумму трёх составляющих: начальной

фазы фазирующих импульсов передатчика - ϕ0, фазового набега в режиме вынужденных колебаний за время равное длительности импульса 2πfnτ и текущего набега фазы когерентного гетеродина в режиме собственных колебаний 2πfкг(t-τ)

ϕкг=ϕ0+2πfnτ +2πfкг(t-τ). (18)

Отсчёт времени в (18) производится от начала зондирующего импульса.

Если время запаздывания сигнала, отражённого от неподвижного объекта tз=2R/с, то полная фаза отражённого сигнала на интервале его существования от tз до tз + τ будет определяться выражением

Скачок фазы при отражении для простоты будем считать равным нулю (ϕотр=0). Тогда разность фаз между гетеродином и принимаемым сигналом равна

Из (20) видно, что разность фаз ψ(t) не зависит от случайной начальной фазы передатчика ϕ0 и меняется с течением времени. Поэтому в начале импульса при t= tз

Рассмотрим влияние нестабильности частот гетеродина fкг и передатчика fn на

разность фаз ψ(t) по отдельности. Пусть частота когерентного гетеродина стабильна fкг=const. Тогда разность фаз ψ(t) будет отличаться от такта к такту на ве-

личину ∆ψ(t) только из-за нестабильности частоты передатчика. Полагая в (21) fкг=const и переходя к приращениям в правой и левой части равенства (21), полу-

чим

Разность фаз сигнала и гетеродина в конце импульса (при fкг=const) постоянна и

26

не зависит от изменения частоты передатчика ∆fn. Это следует из (22). Изменение разности фаз ∆ψн между сигналом и гетеродином в начале им-

пульса и постоянство этой разности в конце при нестабильном передатчике для

неподвижного объекта будет приводить к скосам вершин видеоимпульсов на выходах фазовых детекторов (рис. 44). Так как скосы в смежных периодах будут разными, то это вызовет дополнительные некомпенсированные остатки на выхо-

де схем ЧПК. Поэтому частоту передатчика необходимо стабилизировать. Однако требования к стабильности частоты передатчика не очень жёсткие. Прежде чем

показать это на примере, определим связь между изменением разности фаз сиг-

нала и гетеродина за такт ∆ψ и остаточным сигналом на выходе сумматоре схе-

мы, изображённой на рис. 43.

Амплитуду сигнала от неподвижного объекта на входе фазовых детекторов ФДS и ФДC условно примем равной единице. Коэффициенты передачи фазовых

детекторов также будем считать равными единице. Тогда, если разность фаз

между сигналом и гетеродином в первом такте равна ψ , то напряжение на выходах синусного и косинусного фазовых детекторов равны sinψ и cosψ соответственно. Во втором такте разность фаз между сигналом и когерентным гетеродином равна ψ+∆ψ. Напряжение на выходе синусного и косинусного фазовых детекторов равны sin(ψ+∆ψ) и cos(ψ+∆ψ).

В соответствии с основными операциями, выполняемыми на видеочастоте в

схеме на рис. 43; - однократной череспериодной компенсацией, возведением в

квадрат разностных сигналов, суммированием и взятием корня (взятие корня на

схеме рис. 43 не показано), - можно записать выражение для остаточного сигнала

на выходе

∆Uвых = [cosΨ −cos(Ψ +∆Ψ )]2 +[sinΨ −sin(Ψ +∆Ψ )]2 = 2(1−cos ∆Ψ )= 2 sin ∆Ψ2 . (24)

27

Полагая, например, изменение разности фаз сигнала и гетеродина за такт ∆ψ = 4°

получаем

т.е. остаточный сигнал составляет 7%. Если считать, что изменение разности фаз

требования не очень жёсткие и технически осуществимы. Рассмотрим теперь другой случай.

Пусть частота передатчика стабильна fn=const. Разность фаз меняется от такта к такту на величину ∆ψ (t) только из-за нестабильности частоты когерентного гете-

родина.

Полагая в (21) частоту передатчика постоянной и переходя к конечным приращениям в правой и левой части, получим

т.е. в начале импульса разность фаз между сигналом и гетеродином изменится на ∆ψн при изменении частоты когерентного гетеродина на ∆fкг .

Аналогично из (22) получаем изменение разности фаз в конце импульса

Из (30) следует, что изменение разности фаз между сигналом и когерентным ге-

теродином за такт пропорционально задержке сигнала. Это означает, что качество компенсации зависит от дальности, и для неподвижных объектов, находящихся на максимальной дальности, качество череспериодной компенсации наихудшее. Требования к стабильности когерентного гетеродина необходимо определять из

условия обеспечения компенсации максимально удалённых объектов. Полагая tз=T, допустимое изменение разности фаз ∆ψ = 4º, период повторения РЛС Т=10-3 с (Rmax= 150 км) из (30), получаем

Поскольку для генератора достаточно легко обеспечить относительную неста-

бильность частоты ∆f/f0=10-6, то из этого условия определяем частоту когерентно-

го гетеродина

f0 = ∆f 10-6 =11 мГц ,

т.е. оказывается, что наиболее просто реализация стабильного запоминания

фазы может быть осуществлена на промежуточной частоте, как это показано в схеме на рис. 43. Следует отметить, что в этой схеме жёсткие требования предъявляются также к стабильности местного гетеродина (МГ). Вследствие его нестабильности и неидентичности фазочастотных характеристик опорного и приёмного каналов появляются случайные различия сигналов по амплитуде и фазе в соседних тактах, при этом ухудшается череспериодная компенсация. На качество

28

череспериодной компенсации оказывает влияние также нестабильность длительности импульса радиолокатора и периода его посылки.

В радиолокаторах с истинной когерентностью (рис. 40) обеспечить высокое качество компенсации пассивных помех несколько легче, так как источников неста-

бильности меньше.

1.6. Компенсация собственного движения пассивных отражателей

На практике очень часто местные предметы медленно перемещаются от-

носительно радиолокатора с некоторой групповой скоростью. Например, грозовое облако, создающее пассивную помеху, движется под действием ветра. Или другой пример - сам радиолокатор установлен на корабле. При движении корабля

местные предметы, создающие пассивную помеху, становятся медленно движущимися. Для любого из примеров, напряжение помехи будет пульсировать на вы-

ходах фазовых детекторов, поскольку от такта к такту вектор помехи поворачивается по отношению к вектору опорного напряжения задающего генератора (или когерентного гетеродина) на угол ∆ϕп =2πFдпT. Здесь Fдп – допплеровский сдвиг

частоты помехи (Fдп =2Vr п /λ), обусловленный движением отражателей, создающих помеху относительно радиолокатора.

Чтобы избежать пульсации помехи с целью её последующей компенсации,

достаточно изменять с постоянной скоростью фазу опорного напряжения, так чтобы это изменение за период по величине и по знаку соответствовало изменению фазы помехи ∆ϕп. Постоянная скорость изменения фазы есть изменение частоты колебаний опорного напряжения на допплеровскую частоту помехи - Fдп. Малое изменение частоты опорного напряжения может быть осуществлено с помощью схем двукратного преобразования частоты с использованием высокостабильных

(кварцованных) гетеродинов (рис. 45).

В результате изменения частоты опорного напряжения на допплеровскую

поправку помехи Fдп изменится частота пульсаций полезных сигналов. В совре-

менных радиолокаторах оценка набега фазы помехи за период ∆ϕ)п производится

по выборочным данным помехи, а затем осуществляется его автоматическая компенсация.

1.7. Радиолокатор с внешней когерентностью

Если пассивные отражатели неподвижны и занимают протяжённый участок местности (объём пространства), то центральная частота помехи, образующей

непрерывную реализацию, равна несущей частоте передатчика. Пусть в некото-

ром элементе разрешения находятся одновременно неподвижные пассивные от-

ражатели и быстродвижущийся объект. Амплитуда суммарного сигнала, образо

29

ванного отражателями и объектом, будет изменяться от такта к такту, так как вследствие движения объекта изменяется сдвиг фазы сигнала по отношению к

фазе напряжения помехи, совпадающего с ним по времени прихода. На участках дальности, где действует одна помеха, пульсаций амплитуды от такта к такту не

будет. На рис. 46,а показано напряжение в радиотракте в двух соседних периодах повторения для распределённой по дистанции помехи.

Пунктиром во втором такте показана для сравнения амплитуда первого такта в той точке, где находится движущийся объект (ДО), чтобы нагляднее было наличие пульсаций. На рис. 46,б показано напряжение в двух соседних тактах на выходе амплитудного детектора. Будучи поданным на индикатор с линейной разверткой,

оно создаёт изображение, показанное на

рис. 47. (сравните с рис. 38).

Таким образом, благодаря наличию на входе радиолокатора одновременно действующих полезного сигнала и

пассивных отражений обычный ампли-

тудный детектор приобретает свойства фазочувствительного детектора. Опорным напряжениям оказывается напряжение самой пассивной помехи, посту-

пающей из внешнего пространства (принцип внешней когерентности); опорный гетеродин не требуется. Ха-

рактерно, что в данном случае не требуется какой-либо учёт скорости группового перемещения пассивных отражате-

лей или собственного движения РЛС, так как для наблюдения биений сигнала и

помехи на выходе амплитудного детектора важно лишь различие скоростей цели и пассивных отражателей, находя-

щихся в том же элементе разрешения. Это является одним из важнейших преимуществ радиолокаторов с внешней когерентностью. Такие радиолокаторы используются на быстро перемещающихся носителях. Подавая сигналы с выхода амплитудного детектора на схему ЧПК, можно скомпенсировать постоянное видеонапряжение помехи и выделить пульсирующий полезный сигнал. Реально пассивные отражатели имеют разброс скоростей и, поэтому, на выходе схемы ЧПК будут иметь место "остатки" видеонапряжения помехи, так как от такта к так

30

ту оно будет несколько изменяться. Качество компенсации пассивных помех будет несколько хуже, чем в системах с внутренней когерентностью.

Схема радиолокатора с внешней когерентностью показана на рис. 48.

Отличие от обычной РЛС состоит в том, что имеется устройство ЧПК и схема превращения сигналов в однополярные (схема взятия модуля). Для защиты от

перегрузки приёмно-усилительного тракта бортовой РЛС при нестационарной по дистанции помехи используется часто УПЧ с логарифмической амплитудной ха-

рактеристикой (АПЧ на схеме не показана).

Основным недостатком принципа внешней когерентности является требование присутствия сильных пассивных отражений на всей дистанции, так как

функцонирование такого рода систем зависит от биений сигнала и помехи. Если пассивных отражений нет, то нет биений и схема ЧПК подавляет полезные сигналы.

На практике, как правило, часто имеются участки, где помехи нет или она слаба. Чтобы выделить сигналы от движущихся целей на этих участках, строби-

руют помеху на тех участках, где она есть, и фазируют этой помехой когерент-

ный гетеродин. При этом автоматически компенсируется собственное движение радиолокатора.

1.8. Методы борьбы со слепыми скоростями.

При слепой скорости изменение задержки за такт Т кратно периоду высокочас-

тотных колебаний Т0, т.е. справедливо равенство

Целым числам i соответствует слепые скорости Vri.

Из (31) следует, что избавиться от слепых скоростей Vri, т.е. нарушить эту кратность можно двумя путями: или изменить длительность периода повторения импульсов РЛС (длительность радиолокационного такта), или изменить период колебаний высокой частоты (длину волны радиолокатора). Технически наиболее

простым является изменение периода повторения. Изменим период повторения. Пусть его величина равна Т'. Однако, если вместо Т в (31) подставить Т', то най-

дётся свой набор слепых скоростей Vri , удовлетворяющих этому равенству. Таким образом, меняя период повторения импульсов, мы перемещаем слепые скорости из одного положения в другое.