5

Лекция №5

Тема: Методы измерения дальности

Вопросы:

1. Импульсный метод измерения дальности.

2. Частотный метод измерения дальности.

3. Фазовый метод измерения дальности.

Вопрос №1 Импульсный метод измерения дальности.

Импульсный метод используют в импульсных РЛС.

Функциональная схема импульсного метода измерения дальности представлены на рис. I.2.1

Синхронизатор РЛС вырабатывает импульсы, обеспечивающие одновременный запуск передатчика, состоящего из модулятора и высокочастотного генератора, и измерителя времени запаздывания. Форма колебания определяется модулятором РЛС (рис. I.5.6,осц. 2). Это – импульсы длительностью , следующие друг за другом с периодом Т. Высокочастотный генератор "заполняет" импульсы модулятора несущей частотой (рис. I.5.6,осц. З). Импульсные высокочастотные колебания формируются передающей антенной пространственный луч. Цель, попав в этот луч, отражает падающие на нее радиоволны во всех направлениях, в том числе и в направлении на РЛС. Извлеченный из пространства приемной антенной слабый отраженный сигнал (рис. I.5.6,осц. 4) усиливается и детектируется (рис. I.5.6,осц. 5) приемником РЛС. В большинстве импульсных РЛС детектирование выполняется без учета фазы высокочастотного заполнения.

Иными словами, высокочастотное заполнение используется только в качестве несущей частоты, а содержащаяся дополнительная информация о цели обычно не используется.

Импульс цели с выхода приемника поступает в измеритель, заставляя его в этот момент произвести отсчет времени запаздывания t_R отраженного импульса относительно зондирующего импульса, поэтому дальность до цели мы можем определить как

,

Нужно отметить достоинства и недостатки.

Достоинства:

• При импульсной РЛС используется одна антенна;

• Можно измерять дальность одновременно нескольких целей;

• Простота разделения прямых и отраженных сигналов;

• Простота индикаторного устройства.

К недостаткам относятся:

• Работа в импульсном режиме требует больших импульсных мощностей передатчика Р_изм, это может вызвать пробой;

• Наличие "мертвой" зоны РЛС из-за времени восстановления АП и спада развертки ЭЛТ, которая определяется следующим образом

, (I.5.15)

где с - скорость света, _в – время восстановления АП, _и – длительность импульса, _с – время спада зондирующего импульса;

• Сложность обнаружения движущихся целей на фоне отражений от неподвижных объектов и неоднозначность измерения радиальной скорости цели допплеровским методом.

Вопрос №2 Частотный метод дальнометрии.

При частотном методе измерения дальности (рис. I.5.7) излучается непрерывный сигнал, частота которого f_зонд изменяется по пилообразному закону (рис. I.5.8).

Считаем, что цель неподвижна (R = const), тогда частота принимаемого сигнала f_пр изменяется по тому же закону, но с запаздыванием во времени на величину .

При движении цели на нас или от нас принимаемый и зондируемый сигналы на входе приемника дадут некоторую частоту биений, которая равна

.

В зависимости от t_з f_Б будет меняться, но при этом и будет меняться соотношение частот f_изл и f_отр. С учетом величины девиации и периода Т расстояние до цели r будет выражаться соотношением

. (I.5.16)

Для фиксации биений может применяться набор фильтров. Как только частота биений попадает на соответствующий фильтр, загорается лампочка с отметкой дальности. Может также использоваться 1 фильтр с электронной перестройкой частоты.

Если в зоне облучения частотного дальномера находится не­сколько целей, то каждой цели соответствует определенная частота биений и все эти частоты фиксируются спектроанализатором даль­номера. Минимальная разность частот биений двух целей, при ко­торой эти частоты могут быть раздельно зафиксированы анализа­тором. Этой разности соответствует разность расстояний R, характеризующая разрешающую способность частот­ного дальномера по дальности. Таким образом, точность и разре­шающая способность частотного дальномера определяются девиа­цией частоты f_м, т. е. шириной спектра излучаемого сигнала.

Особенность частотного дальномера состоит в том, что при дви­жении цели вследствие эффекта Доплера возникает дополнительное смещение частоты принимаемых колебаний относительно частоты излучаемых колебаний.

К достоинствам такого метода относится:

• Использование передатчика с малой мощностью излучения, т.к. это непрерывный режим;

• Возможность измерение малых дальностей, поскольку здесь нет мертвой зоны;

• Кроме измерения дальности можно измерить скорость объекта.

Недостатки:

• Необходимо иметь две антенны;

• Высокие требования к линейности ЛЧМ сигнала;

• Сложность фильтров.

Пример. Простейшим примером частотного радиолокатора, рассчитанного на работу по единственной цели, является авиационный частотный радиовысото­мер (радиоальтиметр), используемый при посадке или полетах на малых высотах. Для измерения малых расстояний пригодны импульсные радиоло­каторы с не модулированным по фазе радиоимпульсом малой длительности или со сложно-модулированным сигналом, имеющим широкую полосу частот. Такую полосу сравнительно просто обеспечить, используя непрерывное из­лучение частотно-модулированных колебаний с большой частотной девиа­цией.

Частота биений в таких высотомерах обычно определяется с помощью счетчиков биений. С этой целью колебания частоты биений ограничиваются сверху и снизу и дифференцируются. После дифференцирования оставляют импульсы только одной полярности, используя их для зарядки конденсатора. При симметричном законе модуляции частоты число импульсов за период модуляции определяется выражением

.

Заряд конденсатора за период модуляции будет где q — заряд, сообщаемый одним импульсом. Напряжение на конденсаторе измеряется галь­ванометром, шкала которого градуируется в метрах. Приход только одного импульса за период модуляции соответствует минимальной измеряемой даль­ности

что для девиации частоты 40—80 Мгц соответствует R_мин = (21) м.

Вопрос № 3 Фазовый метод дальнометрии.

При фазовом методе о расстоянии до объекта судят по измерению фазы отраженного сигнала за время распространения электромагнитных волн до цели и обратно. На рис. I.5.9 приведена упрощенная функциональная схема РЛС при фазовом методе измерения дальности.

Генератор масштабной частоты (ГМЧ) вырабатывает зондирующий сигнал на частоте f_э, который после генератора высокой частоты (ГВЧ) излучается в пространство, отражается от цели и попадает на приемник (ПРМ), а затем подводиться к фазометру (Ф). На Ф происходит сравнение по фазе двух сигналов опорный сигнал от ГМЧ и сигнал от приемника.

Пусть напряжение, вырабатываемое ГМЧ, изменяется по закону

,

где ₀ – начальная фаза.

U₂ , будет запаздывать по отношению к U₁ на t_R, амплитуда его будет слабой, но ее восстановит приемник.

При движении цели частота изменяется за счет эффекта Допплера

.

Здесь _Д – фазовый сдвиг в цепях РЛС,  _Ц – фазовый сдвиг масштабного колебания, возникающий при отражении от поверхности цели.

Эти величины постоянны и определяются экспоненциально. Разность фаз

.

Так как вся информация о расстоянии до цели заключена в слагаемом , то можно измерить R, если известна скорость распространения радиоволн и три фазовых сдвига. измеряется с помощью фазометра, _Д можно определить, если предварительно провести калибровку фазометра, т.е. сигнал непосредственно с ГВЧ подается на ПРМ. При измерении _Ц необходимо учитывать соотношение и . Обычно выбирают .