Экзамен РЛС / ЛИТЕРАТУРА / МЕТОДИЧКИ / ГУ,АП РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ Угловых Координат

2

Составитель: доцент канд. техн. наук В.П. Пашкевич

Рецензенты: кафедра конструирования радиоаппаратуры и микроэлектроники ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича; ст. научн. сотр. канд. техн. наук В.А.Сарычев

Приведены краткие сведения по методам измерения угловых координат. Дано описание функциональных схем измерителей. Предназначе-

на для студентов радиотехнического факультета.

Подготовлена к публикации кафедрой радиосистем по рекомендации методической комиссии радиотехнического факультета.

© Ленинградский институт авиационного приборостроения

(ЛИАП)

______________________________________________________________

______________________________________________________________

Ротапринт ЛИАП 190000, Ленинград, ул. Герцена, 67.

3

Цель работы: изучение методов измерения угловых координат, исследо-

вание точностных характеристик угломерных систем.

Методические указания по подготовке к лабораторной работе.

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить

зачёт по коллоквиуму. При подготовке к коллоквиуму необходимо ознакомиться с разделами 1 и 2 настоящего методического руководства,

сзадачами по исследованию точностных характеристик.

1.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Измерение координат и скорости основано на использовании реальных

закономерностей распространения радиоволн в пространстве. Пространство является однородным. Для всех его точек скорость распространения радиоволн

одинакова и не зависит от поляризации и частоты колебаний (с =3·108 м/с).

При этом сигналы распространяются по прямолинейной траектории без искажения формы. Дальность до объекта определяется влиянием запаздывания

излучённого (отражённого) сигнала, скорость – по эффекту Допплера. Измерение угловых координат производится в предположении о точечности излучающего (отражающего) источника. Это предположение выполняется, если угловые

размеры отражающего источника значительно меньше расстояния R (рис.1

∆ℓ<<R).

При этом поверхность равных фаз в точке приёма является сферической поверхно-

стью (рис. 2). Вектор нормали к

сферической поверхности направлен на источник излучения. Рис.2 поясняет лишь принципиальную возможность

измерения угловых координат

(пеленгации). Технические методы пеленгации определяются конструкцией антенных систем, являющихся анализа-

торами элекгромагнитного поля в точке приёма.

1.1. Диаграмма направленности

Используемые в радиотехнических системах антенны являются, как правило, направленными. Количественно направленные свойства антенны

характеризуются диаграммой направленности по полю f(α).

f&(α) является комплексной функцией действительного аргумента - угло-

вой координаты α.

f(α), φ(α) определяют зависимость амплитуды и фазы на выходе антенны

от угловой координаты источника излучения.

4

Диаграмма направленности f(α) определяется распределением тока (поля)

в раскрыве антенны и размерами раскрыва. Пусть линейный раскрыв ориентирован вдопь оси X. Размер раскрыва равен D (рис. 3,а)

Распределение тока в раскрыве задано комплексной функцией ψ(X). Параметр α

определяет угловое положение относительно Y. Введём обобщённые координаты

где λ - длина волны.

Тогда диаграмма направленности f&( u ) связана с распределением тока в раскрыве прямым преобразованием Фурье [1]

диапазона размеры раскрыва значительно превышают длину волны (D>>λ),

то sinα ↔ α. Тогда первый нуль диаграммы направленности находится на рас-

5

стоянии α=λ/D. Ширина диаграммы направленности (на уровне 0,707 по полю)

Формула (6) наиболее часто используется в приближённых инженерных

расчётах. Например, если размер раскрыва антенны D=0,5 м, длина волны излу-

чения λ=3 см, то ширина диаграммы направленности (ширина луча) антенны

θα = 00,03,5 = 0,06 (в радианах)

или в градусах

θ = 0,06 180o

α π

Диаграмма направленности по мощности определяется как квадрат диа-

граммы направленности по полю. Формула (6) определяет ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности.

Наряду с шириной луча важной характеристикой является уровень

боковых лепестков (рис. 3,б). В реальной обстановке по боковым лепесткам принимают мощные мешающие сигналы, которые нарушают работу систем. Поэтому уровень боковых лепестков антенны определяет такую важную характеристику

радиотехнической системы, как помехоустойчивость. Для равномерного распре-

деления тока в раскрыве уровень первого бокового лепестка ослаблен по отношению к главному на 13,4 дБ. Для уменьшения уровня боковых лепестков антенны используют функции распределения токов ψ&(x), спадающие на краях раскры-

ва. Однако при этом наблюдается расширение главного луча по сравнению со

деляются линейными распределениями токов вдоль ортогональных осей раскрыва X и У.

1.2.Одноканальное измерение угловых координат методом анализа огибающей

Направленные свойства антенны осуществляют угловую “окраску”

принимаемого сигнала. Смысл окраски состоит в том, что амплитуда и фаза сигнала на выходе антенны зависят от угловой координаты источника излучения. Формально в комплексном виде принятый сигнал можно представить как произ-

ведение некоторой комплексной временной функцией S&(t), описывающей сиг-

где К – кооффициент пропорциональности, определяющий интенсивность принимаемого сигнала, α - угловая координата цели.

6

Из (7) следует, что α формально является параметром принятого сигнала и задача состоит лишь в том, чтобы выделить информацию о величине этого параметра. Однако, оказывается, сигнал, принятый одноканальной системой

(при неподвижной антенне), не обеспечивает возможности определения угловой координаты. Причиной этого является неопределённость условий приёма. Неоп-

ределённым в (7) является коэффициент К, величина его зависит от расстояния до излучателя, его мощности. В случае активной радиолокации – вида цели, ракурса и т.д. Вследствие неизвестности расстояния до источника излучения неиз-

вестной является и фаза сигнала. Таким образом, угловая "окраска" сигнала, принятого одноканальной неподвижной антенной, не может быть выявлена на-

блюдателем.

Обычно размеры зоны обзора, в пределах которой осуществляется

от разности углов θ=(α-α0) между направлением максимума диаграммы направленности антенной системы α0 и направлением на цель α используют для измерения угловой координаты цели. Эту зависимость, снятую с выхода приёмника Uвых(α), принято называть пеленгационной характеристикой угломерного устрой-

ства.

Укрупнённая функциональная схема одноканального угломерного устройства показана на рис. 4. Механизм поворота

вращает антенну. Од-

новременно приводится в действие указатель поворота оси антенны α0, по шкале которого определяется текущее её положение. Отсчёт

угловой координаты

производится в момент, когда ось антенны направлена на источник излучения (метод мак-

симума). В случае импульсного излучения на выходе приёмного устройства об-

разуется пачка с огибающей, опреде-

ляемой формой диаграммы направ-

ленности и законом вращения луча. Процесс формирования пачки импульсов показан на смежных развёрт-

ках дальности на рис. 5. Справа изображены соответствующие положения

луча относительно направления на цель. Как видно из рисунка, по мере того, как максимум диаграммы совме-

щается с целью, наблюдается увеличение амплитуды импульсов на расстоянии tз=2R/c от начала развёртки.

Затем максимум диаграммы прохо-

дит через направление на цель, ам-

7

плитуда импульсов при этом начинает уменьшаться. При заданной ширине диаграммы направленности θα и угловой скорости вращения антенны Ω. время об-

За время облучения цели (приёма пачки) её угловую координату практически можно считать постоянной. Покажем это на примере. Пусть цель пролета-

ет мимо РЛС на расстоянии R=50 км (рис. 6) со скоростью V= 0,5 км/с. Период

повторения T=1мс, ширина луча θα=3,6о, антенна вращается с угловой скоростью Ω=1 об/с. Тогда время облучения цели

tобл = θΩα = 3,6 o = 0,01c . 360o

Число импульсов в пачке

m = tоблT = 00,001,01 = 10 .

Линейное перемещение цели за время приёма пачки

∆R =V tобл = 0,5 км/с 0,01c = 5 м.

Угловое перемещение цели

∆α = ∆RR = 0,0001(рад),

что значительно меньше ширины диаграммы направленности. То есть, за время приёма пачки угловую координату цели можно

считать постоянной. Число импульсов в пачке m обычно лежит в пределах

5÷100.

Изменение ориентации цели при движении приводит к изменению фазовых соотношений между сигналами, отражёнными от её частей, что вызывает флюктуации амплитуд импульсов в

пачке. Огибающая пачки при этом искажается

(рис. 7). Дополнительные искажения огибающей обусловлены также наличием внутриприёмного шума. В этих условиях задача

измерения угловой координаты сводится к восстановлению огибающей пачки и определению её центра.

Рассмотрим измерение угловой координаты (по методу максимума) на экране индикатора кругового обзора

(ИКО). Линии развёртки дальности вычерчиваются от центра к краю экрана (радиальные линии). Причём на-

правление радиальной линии определяется текущим азимутальным положением оси антенны. При плавном

вращении антенны линии развёртки будут смещаться, плотно прилегая друг к другу. Импульсы, отражённые от цели, поступают на засвет индикатора с одинаковым за-

паздыванием по отношению к началу развёртки. При

этом пачка импульсов образует на экране индикатора характерную отметку - "дужку" (рис. 8). Угловые размеры дужки определяются шириной луча. Чем больше угловой размер дужки, тем хуже разрешающая способность РЛС

8

по азимутальной координате, хуже и точность её измерения. Отсчёт угловой координаты αц осуществляется от яркой радиальной линии, формируемой в момент, когда ось луча направлена на север - N (рис. 8).

В автоматизированных РЛС для оценки центра пачки импульсов часто используется алгоритм фиксации начала и конца пачки. При этом угловая коорди-

ната центра пачки определяется как среднее арифметическое значение координат оси антенны, соответствующих началу и концу пачки. В качестве критерия начала пачки можно, например, принять обнаружение в какой-либо точке даль-

ности на трёх смежных периодах повторения по крайней мере двух импульсов (2 из 3-х) (рис. 9). Конец пачки определяется по критерию пропуска двух импульсов

подряд. Пропуск одного импульса не считается за конец пачки.

Определим структуру логической схемы фиксации начала пачки по критерию 2 из 3-х. Сравнение импульсов пачки с порогом (рис. 9) яв-

ляется квантованием по амплитуде на два уровня 0 и 1 (бинарное квантование).

Напряжение X на выходе квантователя принимает два значения 0 и 1. Результаты сравнения амплитуд импульсов пачки с порогом квантования в трёх смежных

периодах повторения обозначим X1, X2, X3. Нумерация в порядке следования

импульсов в пачке. Начало пачки будет зафиксировано при комбинациях, указанных в табл. 1. Поскольку угловая координата цели неизвестна, проверку выполнения критерия начала пачки (2 из 3-х) необходимо проводить последовательно по тактам для трёх смежных периодов повторения в каждой точке

дальности в соответствии с вращением луча антенны. Для первой и второй строк

в табл. 1 решение о начале пачки будет принято уже на позиции X2, так как логика 2 из 3-х будет выполнена. Поэтому событие У, состоящее в фиксации начала пачки при наличии единицы на по-

зиции X3, определяется комбинациями третьей и четвёртой строк в табл. 1. Выражая событие У через операции логического сложения и умножения, получаем

Из (10) следует, что реализация логики два из трёх требует одной схемы "ИЛИ" на два входа и одной схемы "И" на два входа (рис. 10).

На рис. 11 изображена упрощённая функциональная схема измерения угловой координаты по критерию 2 из 3-х и опреде-

ления конца пачки по критерию два пропуска подряд. С выхода приёмника продетектированные сигналы поступают на

амплитудно-временной квантователь (АВК),

где осуществляется временная дкскрети-

зация и квантование по амплитуде.

9

Временная дискретизация осуществляется стробированием напряжения с выхода детектора короткими импульсами. Период дискретизации tk выбирается исходя из теоремы Котельникова. Обычно tk ≤ τи. (τи - длительность полезного сигнала на входе

приёмника). Вся дистанция (период

повторения) разбивается импульсами tk на r точек дальности (r=T/tk). Квантование по амплитуде производится на два уровня (бинарное квантование). Если величина

импульса больше порога квантования, на выходе АВК появляется импульс единичной амплитуды, если меньше - 0

(рис.12 б,в).

Таким образом, сигналы приёмника на выходе АВК преобразуются в цифровую форму - последовательность нулей и

единиц. С выхода АВК информация записывается в ячейки регистров сдвига РС- 1 и РС-2, соединённые последовательно. Каждый регистр эквивалентен линии

задержки на период повторения Т и предназначен для запоминания в цифровом виде информации r -точек дальности, укладывающихся в периоде Т. Обновление информации в ячейках регистра сводится к сдвигу импульсом tk содержимого

ячеек в сторону возрастания номеров ячеек и записи сигналов в первую ячейку регистра РС-1. Так как регистры РС-1 и РС-2 (рис. 11) соединены последовательно, то содержимое последней ячейки регистра РС-1 переходит в первую

ячейку регистра РС-2. Информация последней ячейки регистра РС-2 подаётся на вход схемы ИЛИ.

10

Пусть на выходе АВК в данный момент времени наблюдается кван-

тованное напряжение 1-ой точки дальности, тогда на выходе регистра сдвига РС-1 - сигнал первой точки дальности предыдущего периода, на

выходе регистра РС-2 - сигнал первой точки дальности ещё на период раньше. Таким образом, на выходах АВК, РС-1 и РС-2 возможен анализ квантованных сигналов первой точки дальности трёх смежных периодов

повторения Х1, Х2, Х3. С появлением каждого нового тактового импульса номер точки дальности увеличивается на единицу, пока не достигнет величины r (по-

следняя точка дальности). Затем появляется первая точка дальности. Но при

блюдаются квантованные значения первой точки дальности Х2, Х3, Х1. Самое раннее значение Х1 теряется, а добавляется новое Х4. Такой режим называется режимом скользящего окна. Он хорошо согласуется с плавным изменением уг-

лового положения антенны при обзоре.

Фиксация начала пачки по критерию 2 из 3-х осуществляется логической схемой, включающей "ИЛИ" и "И" (рис. 11). Конец пачки определяется

по критерию два пропуска подряд и определяется на выходе

схемы "И", имеющей три входа (необходимость 3-го входа будет пояснена в дальнейшем).

Так как в каждой точке дальности конец пачки должен фиксироваться лишь после фиксации начала через число периодов повторения, определяемых

длительностью пачки, а точки дальности на выходах АПК, РС-1 и РС-2 в реаль-

ном времени повторяются циклически (через r тактовых импульсов tk), то факт фиксации начала необходимо запоминать в кольцевом регистре РС-3. Кольцевой регистр РС-3 так же, как РС-1 и РС-2, рассчитан на r точек дальности. Импульс начала пачки с выхода схемы определения начала пачки проходит через

схемы "ИЛИ" и "И" и записывается в текущую точку дальности регистра РС-3.

Циклически факт начала пачки в данной точке дальности будет воспроизводиться на выходе регистра РС-3 вместе со значениями на выходах РС-1 и РС-2 и вновь записываться в регистр РС-3 через схему "ИЛИ" даже в тех случаях, если в следующих тактах в этой точке дальности логика начала не выполняется, но не

зафиксирован и конец пачки. Это наблюдается в ситуации, когда Х1, Х2, Х3 при-

нимают значения 010 соответственно. Тогда начало не выполнено, так как на трёх смежных позициях нет двух единиц (2 из 3-х), не выполнен и конец - нет двух пропусков подряд.

на третий вход схемы "И" поступает импульс начала, зафиксированный на предыдущих тактах в этой точке дальности.

Текущее угловое положение антенны преобразуется в угловой код с помощью специального устройства формирования углового кода, состоящего из набора фотоэлементов, источника света, диска с прорезями, жёстко связанного с

антенной (рис. 11). Угловые коды, соответствующие фиксации начала пакета, записываются в ячейки адресного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Адреса указывают номер точки дальности, содержимое ячеек - соответст-

вующий угловой код начала. На схеме рис. 11 условно показано, что ключ нача-

ла (КЛН) открывается и пропускает код в ОЗУ. Угловой код, соответствующий моменту фиксации конца пачки, пропускается через ключ конца (КЛК) и суммируется с кодом начала, который считывается с ячеек ОЗУ соответствующего адреса.