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 выполняет 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 формируют сигнал постоянной амплитуды. Этот однополярный сигнал подаётся на индикатор с яркостной отметкой. На индикаторе осуществляется накопление полезных сигналов. Для формирования развёртки на индикаторе дальность-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 движущегося объекта на выходах фазовых детекторов сдвинуты по фазе на/2. На выходах схем вычитания образуются разностные сигналы .

Разностные сигналы имеют максимальную величину на тех участках, где огибающие импульсов изменяются быстрее всего, т.е. в областях, где эти огибающие импульсов пересекают оси абсцисс (точки 3,9 дляи точки 6,12). Огибающие разностных сигналовтакже сдвинуты на 90°, поэтому на выходе сумматора образуются импульсы постоянной амплитуды, так как=const

1.4. Радиолокатор с эквивалентной внутренней когерентностью

Схема когерентной РЛС (рис. 40) осуществима лишь при условии, если в качестве передатчика используется мощный усилитель, усиливающий высокочастотное 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 способны 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 когерентность, 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 подробно. На рис. 42,а показаны зондирующие импульсы. В первом такте значение фазы ₁, во втором - ₂. 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 раскачки. С окончанием фазирующего импульса когерентный гетеродин переходит в область генерации. При этом контур гетеродина сохраняет информацию о начальной фазе, но частота колебаний переходит к новому значению - собственной частоте контура когерентного гетеродина f_кг которая определяется параметрами схемы. Поскольку начальная фаза колебаний передатчика и когерентного гетеродина одна и то же, то она, очевидно, не влияет на разность фаз отражённого сигнала и когерентного гетеродина. Интересно, что хотя когерентный гетеродин запоминает только фазу импульса магнетрона и не запоминает частоту, система оказывается работоспособной. Объясняется зто тем, что хотя в паузе между импульсами 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), 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 движущегося 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 фазирование 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 псевдокогерентными.

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 когерентного гетеродина можно определить как сумму трёх составляющих: начальной фазы фазирующих импульсов передатчика - ₀, фазового набега в режиме вынужденных колебаний за время равное длительности импульса 2f_n и текущего набега фазы когерентного гетеродина в режиме собственных колебаний 2f_кг(t-)

_кг=₀+2f_n +2f_кг(t-). (18)

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

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

_c(t)=₀  2f_n(t-t_з)  _отр. (19)

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

(t)=_кг(t) - _c(t) = 2f_кг(t-) + 2f_n(t-t_з -), (20)

Из (20) видно, что разность фаз (t) не зависит от случайной начальной фазы передатчика ₀ и меняется с течением времени. Поэтому в начале импульса при t= t_з

(tt_з)  _н  2f_кг(t_з-)  2f_n, (21)

в конце импульса при t t_з + 

(t t_з + )  _к  2f_кгt_з . (22)

Рассмотрим влияние нестабильности частот гетеродина f_кг и передатчика f_n на разность фаз (t) по отдельности. Пусть частота когерентного гетеродина стабильна f_кгconst. Тогда разность фаз (t) будет отличаться от такта к такту на величину (t) только из-за нестабильности частоты передатчика. Полагая в (21) f_кгconst и переходя к приращениям в правой и левой части равенства (21), получим

_н2f_n (23)

Разность фаз сигнала и гетеродина в конце импульса (при f_кгconst) постоянна и не зависит от изменения частоты передатчика f_n. Это следует из (22).

Изменение разности фаз _нмежду сигналом и гетеродином в начале импульса 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 выходе 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 сигнала и гетеродина за такти остаточным сигналом на выходе сумматоре схемы, изображённой на рис. 43.

Амплитуду сигнала от неподвижного объекта на входе фазовых детекторов ФД_S и ФД_C 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  , то напряжение на выходах синусного и косинусного фазовых детекторов равны sin и cos соответственно. Во втором такте разность фаз между сигналом и когерентным гетеродином равна . Напряжение на выходе синусного и косинусного фазовых детекторов равны sin() и cos().

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

. (24)

Полагая, например, изменение разности фаз сигнала и гетеродина за такт  = 4° получаем

, (25)

т.е. остаточный сигнал составляет 7%. Если считать, что изменение разности фаз между сигналом и гетеродином за такт  = 4º обусловлено нестабильностью передатчика, то, например, при длительности импульса  1мкс из (23) получаем

(26)

Если РЛС работает на =3 см ( f_n = 10¹⁰ Гц), то потребная относительная нестабильность передатчика

f_n/f_n =10⁴/10¹⁰ =10^-6, (27)

требования не очень жёсткие и технически осуществимы.

Рассмотрим теперь другой случай.

Пусть частота передатчика стабильна f_n=const. Разность фаз меняется от такта к такту на величину  (t) только из-за нестабильности частоты когерентного гетеродина.

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

 =2f_кг(t_з-), (28)

т.е. в начале импульса разность фаз между сигналом и гетеродином изменится на _н при изменении частоты когерентного гетеродина на f_кг .