Экзамен РЛС / ЛИТЕРАТУРА / МЕТОДИЧКИ / ГУ,АП СЕЛЕКЦИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ
.pdf31
Более наглядно это видно из рис. 49, определяющего зависимости частот пульсаций на выходе фазового детектора для двух значений периода повторения. Доп-
плеровские частоты, соответствующие слепым скоростям, для одного периода повторения обозначены крестиками, для другого точками. Допплеровские частоты,
соответствующие слепым скоростям, для двух значений периода различны, т.е. положение крестиков и точек на оси абсцисс не совпадает. Но могут быть случаи, когда некоторые из них (точки и крестики) совпадают. Рассмотрим численный
пример. Пусть период повторения РЛС, изменяясь от такта к такту, принимает два значения Т1 = 1000 мкс и Т2 =1250 мкс. Тогда для первого периода допплеров-
ские частоты, соответствующие слепым скоростям Fдi=i/T1 равны 1, 2, 3, 4, 5 кГц, для второго периода Fдi=i/T2 - 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0, 4.8 кГц. Из сравнения числовых последовательностей Fдi видно, что слепая скорость, соответствующая Fдi = 4
кГц остаётся слепой даже в том случае, если РЛС изменяет период повторения. Если продолжить последовательности, то совпадение слепых скоростей будет
наблюдаться также на частотах Fдi - 8, 12, 16 кГц и т.д.
В общем случае слепые скорости остаются на тех допплеровских частотах, для которых справедливо равенство
Fдi = i1/T1= i2/T2,
где i1 и i2 - целые числа.
Для борьбы со слепыми скоростями необходимо менять период повторения
плавно в некоторых пределах, тогда ни одна из слепых скоростей не будет оста-
ваться слепой сколько-нибудь продолжительное время. Можно значительно уменьшить число слепых скоростей и даже избавиться от них в достаточно широком диапазоне, если период повторения РЛС будет принимать три или четыре значения. Такой режим работы чаще всего и используют.
Следует отметить, что эффект слепых скоростей обусловлен периодичностью
излучения импульсов радиолокатором. Он наблюдается при любом способе обеспечения когерентности (истинная внутренняя, эквивалентная, внешняя).
Взаключение следует отметить, что предельный коэффициент подавления пассивных помех, определяемый как отношение мощности пассивной помехи
на входе схемы ЧПК к мощности пассивной помехи на выходе не превышает 30-
35 дБ. Причиной является наличие различного рода нестабильностей частот передатчика, когерентного гетеродина, периода повторения, формы импульса и т.д.
Вслучаях, когда требуется более высокое качество подавления пассивных
помех (60 дБ и более), применяют импульсно-допплеровский режим работы РЛС.
2.ИМПУЛЬСНО - ДОППЛЕРОВСКАЯ РЛС
Для лучшего понимания принципа действия таких РЛС целесообразно рассмотреть особенности фильтрации когерентной пачки на радиочастоте. На рис. 50,а
показан спектр бесконечной последовательности зондирующих импульсов, полученной вырезкой из опорного синусоидального напряжения, рис. 50,б - амплитуд-
но-частотный спектр пачки импульсов, отражённых от приближающейся цели при сканирующей антенне РЛС, рис. 50,в - спектральная плотность мощности смеси пассивной помехи и внутриприёмного шума. Кривая получена в результате сдвига
спектральной плотности излучённого сигнала на величину средней допплеровской поправки помехи Fдп и размытия спектральных линий вследствие разброса скоростей отражателей, а также за счёт смены отражателей при сканировании и нало-
жения спектральной плотности внутриприёмного шума. На рис. 50,г представлена
амплитудно-частотная характеристика оптимального фильтра. Зоны прозрачно-
сти фильтра соответствуют гребням спектра отражённого сигнала, зоны наиболь
32
шего подавления - гребням спектра помехи.
Анализ рис. 50 показывает, что чем больше расстояние между гребнями и чем ýже сами гребни спектра помехи, тем лучше условие для подавления пассивной помехи и выделения сигнала. Расстояние между гребнями спектра равно 1/Т, т.е. определяется периодом повторения РЛС. Период повторения обычно выбирается
исходя из условия однозначного измерения дальности Т>2Rmax/с. Для обзорных
РЛС он велик и составляет, например, при R=150 км, Т=1 мс. Расстояние между гребнями спектров в этом случае равно F=1/T=1 кГц. При длительности
импульса РЛС Т=1 мкс и периоде повторения Т=1 мс в пределах огибающей глав-
ного лепестка спектра сигнала укладывается 2 Т/τ =2000 гребней спектра сигнала.
На рис. 50 число гребней в области главного лепестка уменьшено и равно пяти,
поскольку большое число гребней трудно изобразить графически.
Расстояние между гребнями спектра сигнала не может быть увеличено без
нарушения условия однозначного измерения дальности. Ширина гребней спектра помехи примерно на порядок меньше чем расстояние между ними, что говорит
о существовании условий для выделения движущихся целей. Гребни спектра сигнала будут часто находиться между гребнями помехи, т.е. на участках спектральной оси, свободных от пассивной помехи. Эти условия выполняются для
наземных РЛС при обнаружении объектов на фоне отражений от земной и морской поверхностей.
В бортовых РЛС гребни спектра пассивной помехи значительно расширяются за счёт движения носителя. Покажем это на примере. Для бортовой РЛС
угол наклона луча ε0 обычно мал (рис. 51,а). Угломестные размеры разрешаемого
элемента поверхности ∆ε (рис. 51,а) значительно меньше ширины диаграммы на-
правленности ∆ε = |
cτ |
sinε <<θε , поэтому по углу места разрешаемый элемент |
|
||
2 |
R |
|
поверхности является точечным отражателем.
В азимутальной плоскости луч РЛС отклонён от направления движения на угол α0 (рис. 51,б). Угловые размеры разрешаемого элемента в азимутальной плоско
33
сти равны ширине луча антенны θα. Так как луч является достаточно широким, то
отражатели разрешаемого элемента поверхности имеют разные углы по отношению к вектору скорости V в азимутальной плоскости.
Для элементарного отражателя, расположенного под углом по отношению к вектору скорости, допплеровская поправка будет определяться проекцией вектора скорости на это направление (пр. Vαi)
|
2 |
V |
2V cos ε |
cosα |
|
|
|||
F |
= |
пр |
αi |
= |
0 |
i |
|
, |
(32) |
|
|
|
|
||||||
дi |
|
|
λ |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
cosε0 учитывает наклон луча в вертикальной плоскости. |
вектору |
||||||||
Отражатель А (рис. 51,б) |
имеет наименьший |
угол |
по отношению к |
||||||
скорости αА =α0 - θα/2, соответствующее ему допплеровское смещение будет мак-
симальным
|
|
2V |
|
|
|
|
|
ϑα |
|
|
F |
= |
|
cosε |
|
cos α |
|
− |
|
. |
(33) |
λ |
|
|
2 |
|||||||
дmax |
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
||
Отражатель В (рис. 51,б) имеет наибольший угол по отношению к вектору ско-
рости, соответствующее ему допплеровское смещение будет минимальным
F |
= |
2V |
cosε |
|
|
|
+ |
ϑα |
(34) |
|
λ |
|
cos α |
|
2 |
, |
|||||
дmax |
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
||
Величина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(35) |
∆fп =Fд max - Fд min |
|
|
|
|
||||||
характеризует расширение гребней спектральной плотности пассивной помехи за
счёт движения носителя.
Подставляя (33) и (34) в (35), после упрощений получаем |
|
||
∆ fn = |
2Vθα |
sinα0 cosε0 . |
(36) |
|
|||
|
λ |
|
|
Оценим расширение гребня спектра помехи количественно. Пусть V = 600 м/сек,
34
λ =3 см, θα= 4°, α0 = 45°, ε0 =10°. Подставляя в (36), получаем
∆fn = |
2 |
600 |
|
4π |
|
2 cos 10 |
≈ 0,6 кГц . |
|
0 |
,03 |
|
180 |
|
2 |
|
Если период повторения импульсов бортовой РЛС выбирать из условия одно-
значного измерения дальности (T>2Rmax/c при R = 150 км, T = 1 мс), то гребни спектральной плотности пассивной помехи по ширине будут соизмеримы с про-
межутками между ними, которые равны 1 кГц. В этом случае спектральная плотность пассивной помехи будет иметь вид, представленный на рис. 52.
Как видно из рис. 52, нет промежутков между гребнями спектра, свободных от
пассивной помехи, значит, в этом случае нельзя обеспечить хорошее качество её
подавления. С точки зрения временных соотношений это означает, что интервал
корреляции помехи τкор =1/∆fn становится соизмеримым с периодом повторения
импульсов РЛС.
Чтобы получить на оси частот промежутки, свободные от пассивных помех, необходимо раздвинуть гребни спектра помехи. Для этого уменьшают период повторения импульсов РЛС и выбирают его исходя из возможности однозначного измерения скорости.
Обычно для импульсно-допплеровских РЛС выбирают период повторения им-
пульсов Т=10 - 20 мкс, длительность импульса τ=0,5-2 мкс.
За счёт уменьшения периода повторения гребни спектра пассивной помехи
раздвигаются. На рис. 53 показан спектр пассивной помехи для случая, когда Т = 10 мкс. Расстояние между гребнями спектра - 100 кГц, ширина гребня попрежнему 0,6 кГц. Если разность допплеровских сдвигов сигнала и помехи ∆FD больше ширины гребня, то такие сигналы могут быть легко обнаружены.
На рис. 54 представлена схема обнаружителя когерентной пачки импульсов с известными временем запаздывания и допплеровским сдвигом частоты, построенная по корреляционно-фильтровому принципу. Временные диаграммы, поясняющие её работу, представлены на рис. 55 .
35
Строб-каскад (селектор дальности) открывается импульсами (2) лишь на время прихода импульсов пачки и пропускает их на выход смесителя (СМ). Пассивная
помеха и внутриприёмные шумы, не совпадающие с сигналом по времени прихода, на выход строб каскада не проходят. Полученные сигналы на выходе смесителя преобразуются на частоту настройки узкополосного контура f0 = fг – fс. Доп-
плеровская поправка сигнала компенсируется за счёт смещения частоты гетеродина на Fд. Узкополосный контур осуществляет когерентное накопление импуль-
сов пачки (рис. 55,г). Накопленное напряжение детектируется и сравнивается с порогом.
Обычно время запаздывания отражённого сигнала неизвестно, поэтому к
выходу приёмника подключают набор селекторов по дальности, на вторые входы
которых подаются сдвинутые по времени селекторные импульсы 1,2, ... ,r, пере-
крывающие весь интервал приёма (рис. 56).
Так как допплеровский сдвиг частоты сигнала также неизвестен, то к выходу каж-
дого селектора дальности подключают набор смесителей. Напряжения гетеродинов этих смесителей отличаются по частоте различными допплеровскими поправками Fдi, которые выбираются таким образом, чтобы перекрыть весь диапазон
36
допплеровских частот.
Функциональная схема импульсно-допплеровской РЛС представлена на рис. 57.
Передающая часть включает синхронизатор, импульсный модулятор ИМ, усилитель мощности УМ и генератор высокой частоты f0. Схема формирования гетеродинного напряжения содержит смеситель СМг и фильтр Фг, выделяющий час-
тоту f0 + fпр. Напряжение промежуточной частоты fпр формируется синтезатором
частот. Приёмная часть состоит из смесителя сигнала Смс, где отражённые от цели сигналы, имеющие сдвиг допплеровской частоты, преобразуются на промежуточную частоту. Основное усиление осуществляется в широкополосном УПЧ, полоса пропускания которого в 5 - 10 раз больше, чем ширина спектра одиночного импульса ∆f (5-10)/τ. Дальнейшая обработка осуществляется по корреляционнофильтровому принципу. С выхода УПЧ сигналы поступают на набор селекторов
дальности СК1-СКr (строб каскадов). Число селектируемых точек дальности опре-
деляется как отношение r =(T-τ)/T. После каждого селектора дальности ставится
грубый фильтр ГФ, пропускающий полосу частот, соответствующую возможным
скоростям обнаруживаемых объектов ( ∆Fд = Fд max - Fд min) (рис. 58).
Для селекции по скорости на выходе грубого фильтра подключается набор смесителей СМ1-СМК, гетеродинные напряжения для которых формируются синтезатором частот и отличаются величинами допплеровских поправок fдi. К выходу ка
37
ждого смесителя подключается узкополосный контур УК, наcтроенный на частоту (fс - f0) и осуществляющий когерентное накопление пачки импульсов. Совокуп-
ность смесителей СМ1-СМК с гетеродинами разных частот и узкополосных контуров образуют набор допплеровских фильтров (каналов скорости). Общее число допплеровских фильтров в схеме r×K, где r - число разрешаемых элементов по дальности, K - по скорости. В каждом канале накопленные сигналы детектируются
амплитудным детектором АД и подаются на пороговое устройство ПУ. Таким об-
разом, в схеме на рис. 57 осуществляется параллельный просмотр r×K каналов
дальности и скорости. Коммутатор может подключать для дальнейшей обработки любой из каналов.
Следует отметить, что стробирование по дальности позволяет улучшить
отношение сигнал/(пассивная помеха + шум) на выходе узкополосных контуров. Пассивная помеха является протяжённой по дистанции, так как отражатели зани-
мают обычно большие площади (объёмы). Стробирование по дальности устраняет влияние пассивной помехи, не совпадающей с сигналом по временному положению, предотвращая её интегрирование в узкополосных фильтрах. Внутрипри-
ёмный шум на выход селекторного каскада попадает также только во время действия селекторного импульса. Таким образом, при селекции по дальности энер-
гия пассивных отражений и внутриприёмного шума на выходе селекторного кас-
када уменьшается в θ раз по отношению к их энергиям на входе (θ = Т/τ). Достоинством импульсно-допплеровских РЛС, как уже отмечалось, являет-
ся высокое качество селекции полезных сигналов на фоне пассивных помех. От-
ношение мощности сигнала к мощности пассивной помехи на выходе узкополосных контуров на 60 дБ и более превышает отношение сигнал/пассивная помеха на выходе согласованного фильтра одиночного импульса. В отличие от допплеровских РЛС здесь используется на приём и передачу одна антенна, а значит, отсут-
ствуют проблемы, связанные с развязкой приёмника и передатчика.
Одним из основных недостатков импульсно-допплеровских РЛС является невозможность измерения дальности обычным импульсным методом. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Пусть присутствует только один отражающий объект.
На рис. 59,а специально выделены один излучённый импульс (прямоугольной формы) и соответствующий ему отражённый импульс (треугольной формы). Так как период повторения РЛС мал, то в промежутке от момента излучения до мо-
мента приёма отражённого импульса мы наблюдаем излучённые импульсы, сле-
дующие за выделенным, и отраженные импульсы - результат предыдущих зонди
38
рований. Импульсы изображены пунктиром. Не имея возможности пометить ка- ким-либо образом каждый излучённый импульс, чтобы отличать соответствующий
отражённый импульс по этому же признаку, мы вынуждены измерять время запаздывания до ближайшего излучённого сигнала. На рис. 59,а это интервал tu1.
Тогда из рис. 59,а следует
tз= i1T1 + tu1, |
(37) |
i на рис. 59,а равно 3.
Поскольку i обычно неизвестно, неизвестна и дальность до объекта. Для устранения неоднозначности измерение запаздывания до ближайшего излучённо-
го импульса осуществляют при другом периоде повторения Т2. На рис. 59,б это интервал tu2. Как следует из рисунка
tз= i2T2 + tu2 . |
(38) |
Так как истинное время запаздывания не зависит от периода повторения РЛС, то правые части (37) и (38) можно приравнять
i1T1 + tu1= i2T2 + tu2. |
(39) |
Специальный вычислитель подбирает целые числа i1 |
и i2 так, чтобы равенство |
(39) выполнялось. После определения i1 и i2 дальность до цели известна. Сле-
дует отметить, что данный способ измерения дальности применим, если отражающий объект - один в пределах диаграммы направленности. Если объектов два, то число уравнений типа (37) и (38) увеличивается и задача измерения даль-
ности усложняется. При наличии многих целей в пределах диаграммы измерение
дальности в импульсно-допплеровской РЛС становится невозможным.
В заключение отметим, что, если время запаздывания отражённого сигнала кратно периоду повторения РЛС, то такой сигнал не может быть принят приёмником, поскольку приёмник в это время закрыт и происходит излучение очеред-
ного импульса передатчиком. Это так называемый случай слепой дальности. Для
устранения слепых дальностей необходимо плавно изменять период повторения РЛС, тогда никакая дальность не может оставаться длительное время слепой.
3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Рассмотрите закономерности изменения амплитуды и полярности импульсов
на выходе фазового детектора для неподвижного, медленно движущегося и
быстродвижущегося объекта.
2.Поясните смысл понятия „слепая скорость”.
3.Определите величину радиальной скорости цели, если она равна 17-й слепой скорости. Период повторения импульсов РЛС Т=1000 мкс, λ=3 см.
4.Рассчитайте частоту пульсаций импульсов на выходе фазового детектора, если радиальная скорость объекта равна 713 м/с, период повторения импульсов
Т= 1 мс, λ=3 см.
5.Изобразите спектры сигналов движущегося и неподвижного объекта на входе
ивыходе схемы ЧПК.
6.Изобразите функциональные схемы когерентно-импульсной РЛС и РЛС с эквивалентной внутренней когерентностью. Укажите их основные отличия.
7.Перечислите основные факторы, влияющие на качество подавления пассивных помех в РЛС с внутренней эквивалентной когерентностью.
8.Укажите отличительные особенности радиолокатора с внешней когерентно-
стью.
9.В чём состоят трудности борьбы со слепыми скоростями?
10.Изобразите функциональную схему импульсно-допплеровской РЛС. Перечис-
лите основные достоинства и недостатки РЛС этого типа.
39
4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА МАКЕТА
Лабораторная установка (рис. 60) состоит из имитатора, блока череспериодной
компенсации (ЧПК), осциллографа и двух частотомеров.
Имитатор вырабатывает сигнал, отражённый от движущегося объекта (цели). Имитируется только допплеровское смещение частоты сигнала, медленное пере-
мещение сигнала по дальности не имитируется. Кроме того, формируется пассив-
ная помеха с регулируемым коэффициентом междупериодной корреляции и внутриприёмный шум. Имитация осуществляется на промежуточной частоте 5 мГц. С помощью аттенюаторов Uп, Uс и Uш устанавливается необходимое соотношение сигнал/пассивная помеха.
В блоке череспериодной компенсации (ЧПК) с помощью фазовых детекто-
ров ФД выделяются квадратурные составляющие и подаются на входы АЦП. Операция череспериодного вычитания реализуется с помощью цифровых линий задержки и вычитателей. Схемы взятия квадрата модулей и сумматор вычисляют квадрат амплитуды разностного сигнала. С помощью ЦАП разностный сигнал
преобразуется в аналоговую форму для удобства наблюдения на осциллографе.
Предусмотрена возможность череспериодного вычитания сигналов с выхода амплитудного детектора (режим с внешней когерентностью), а также работа с переменным периодом повторения.
5.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Сразрешения преподавателя приступить к выполнению работы.
5.1 Включение установки
На имитаторе установить:
1.Переключатель "имп-пач" в положение "имп".
2.Переключатель "Пер. повт" в положение "C" (постоянный период повторения Т = 5 мс).
3.Переключатель "R1" в крайнее левое положение.
4.Переключатель "R2" в положение - 1.
5.Потенциометры Rпл и Uкв в крайнее левое положение.
6.Потенциометры Uп и Uц в крайнее правое положение.
7.Потенциометр Uш в крайнее левое положение.
40
8.Установить на аттенюаторе напряжения шума Uш максимальное ослабление - все тумблеры вверх).
9.Установить ослабление сигнала цели Uц равным 10 дБ.
10.Установить на блоке ЧПК тумблер ФД-АД в положение ФД (фазовый де-
тектор).
11.Тумблер "лин-огр" в положение "лин".
12.Установить переключатель П в блоке ЧПК в положение 1.
13.Включить частотомеры.
14.Включить осциллограф, режим синхронизации "ждущ.", "внеш. 1:1". Переключатель "множитель* развёртки - "×1". Установить развёртку 50 мкс/дел. (дел. – одно большое деление на сетке экрана). Установить пе-
реключатель “V/дел.” в положение 0,2.
15.Включить источник питания: включить тумблер "сеть", нажать кнопки "пуск" на каждом из 4-х каналов источника питания (слева от ампермет-
ров), включить тумблер "вкл. нагрузки". Отклонение стрелок амперметров свидетельствует о включении источника питания.
5.2.Изучение характеристик сигналов движущегося объекта (цели)
1.Потенциометр Uп поставить в крайнее левое положение (при этом пас-
сивная помеха на выходе имитатора отсутствует).
2.Наблюдать сигнал от движущегося объекта на выходе УПЧ (переключатель П в положение 1).
3.Наблюдать сигнал от движущегося объекта на выходе фазового детекто-
ра (переключатель П в положение 2 или 3). Зарисовать осциллограмму.
4.Установить при помощи потенциометра Fц частоту сигнала от объекта (цели) на частотомере Fц равной частоте опорного гетеродина на частотомере Fп. Установить переключатель "Время/дел" на осциллографе в положение 5 мкс. Момент равенства частот фиксировать по исчезнове-
нию пульсаций на экране осциллографа (руку от ручки потенциометра не
отрывать).
5.Определить допплеровские частоты, соответствующие слепым скоростям. Для этого, плавно изменяя частоту сигнала цели, в моменты отсутствия биений на выходе ФД определять разность частот двух частотоме-
ров ∆fс. Во избежание грубых ошибок следует помнить, что период повторения импульсов Т=5 мс (при положении переключателя "пер. повт." -
"С").
Результаты занести в таблицу 1
Таблица 1
n |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
∆fi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зарисовать осциллограммы на выходе фазового детектора при слепой скорости и при скорости отличной от слепой.
5.3.Изучение характеристик пассивной помехи
1.Переключатель П поставить в положение 1.
2.Потенциометр Uц установить в крайнее левое положение.
3.Потенциометр Uп - в крайнее правое положение. При этом на выходе
имитатора имеется только сигнал пассивной помехи (выход УПЧ).
4.Установить переключатель "R2" в положение 0, при этом ширина спектра флюктуации помехи равна нулю (коэффициент междупериодной корреляции равен единице). Зарисовать осциллограммы при различных скоро