На сортировку / 2102172 / lek_3

ЗАНЯТИЕ 3. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ

Сущность импульсного метода радиолокации и структурная схема импульсной РЛС

Основные показатели импульсного метода

Метод непрерывного излучения

Основная часть.

Первый учебный вопрос.

Сущность импульсного метода радиолокации и структурная схема импульсной РЛС

Для обнаружения объектов по отраженным от них радиоволнам и определения координат существует два метода радиолокации:

- импульсный метод

метод непрерывного излучения.

Наибольшее распространение и радиолокационной технике получил импульсный метод.

Импульсный метод радиолокации

Импульсный метод радиолокации бел предложен впервые в 1926 году советскими учеными М.А.Бонч-Бруевичем и А.Н.Щукиным для измерения высоты отражающих слоев атмосферы (ионосферы). Ими же в 1932 году была построена первая ионосферная станция, использующая импульсный метод работы.

В современных РЛС для обнаружения и определения координат целей импульсный метод радиолокации получил широкое применение.

Упрощенная структурная схема импульсной РЛС включает в себя (рис. 3,1, слайд 20, 25):

передатчик (модулятор и генератор СВЧ):

приемник:

антенный переключатель (АП):

синхронизатор (блок запуска):

индикаторное устройство:

антенну:

аппаратуру защиты от помех:

систему вращения и синхронизации по вращению:

первичный источник питания (ДЭС):

СУЗиК.

Система управления, защиты и контроля обеспечивает включение станции, управление режимами работы, защиту аппаратуры в аварийных ситуациях и контролирует ее работу.

Для преподавателя. Показать системы РЛС на структурной схеме на стенде.

Принцип работы импульсной РЛС

Принцип работы импульсной РЛС можно уяснить, рассмотрев «Упрощенную структурную схему импульсной РЛС (рис. 3.1, слайд 20, 25) и графики, поясняющие работу импульсного радиолокатора (рис. 3.2, слайд 21, 26).

Работу импульсной РЛС лучше всего начать рассматривать с блока синхронизации (блока запуска) станции. Этот блок задает «ритм» работы станции: он задает частоту повторения зондирующих сигналов, синхронизирует работу индикаторного устройства с работой передатчика станции. Синхронизатор вырабатывает кратковременные остроконечные импульсы И_зап с определенной частотой повторения Т_п. Конструктивно синхронизатор может быть выполнен в виде отдельного блока или представлять единое целое с модулятором станции.

Модулятор управляет работой генератора СВЧ, включает и выключает его. Модулятор запускается импульсами синхронизатора и формирует мощные прямоугольные импульсы необходимой амплитуды U_м и длительности τ_и. Генератор СВЧ включается в работу только при наличии импульсов модулятора. Частота включения генератора СВЧ, а, следовательно, и частота повторения зондирующих импульсов определяется частотой импульсов синхронизатора Т_п. Продолжительность работы генератора СВЧ при каждом его включении (то есть длительность зондирующего импульса) зависит от длительности формирующего в модуляторе импульса τ_и. Длительность импульса модулятора τ_и обычно составляет единицы микросекунд, а паузы между ними – сотни и тысячи микросекунды.

Под действием напряжения модулятора генератор СВЧ формирует мощные радиоимпульсы U_ген, длительность и форма которых определяется длительностью и формой импульсов модулятора. Колебания высокой частоты, то есть зондирующие импульсы от генератора СВЧ, поступают через антенный переключатель в антенну. Частота колебаний радиоимпульсов определяется параметрами генератора СВЧ.

Антенный переключатель (АП) обеспечивает возможность работы передатчика и приемника на одну общую антенну. На время генерации зондирующего импульса (мкс) он подключает антенну к выходу передатчика и блокирует вход приемника, а на нее остальное время (время паузы – сотни, тысячи мкс) подключает антенну к входу приемника и отключает ее от передатчика. В импульсный РЛС в качестве антенных переключателей применяются автоматические быстродействующие переключатели.

Антенна преобразует колебания СВЧ в электромагнитную энергию (радиоволны) и фокусирует ее в узкий пучок. Отраженные от цели сигналы принимаются антенной, проходят через антенный переключатель и поступают на вход приемника U_с, где они селектируются, усиливаются, детектируются и через аппаратуру защиты от помех подаются на индикаторные устройства.

Аппаратура защиты от помех включается только при наличии в зоне действия РЛС пассивных и активных помех. Подробно эта аппаратура будет изучаться в теме 7.

Индикаторное устройство является оконечным устройством РЛС и служит для отображения и съема радиолокационной информации. Электрическая схема и конструкция индикаторных устройств определяется практическим назначением станции и могут быть весьма различными. Например, для РЛС обнаружения с помощью индикаторных устройств должна воспроизводиться воздушная обстановка и определяться координаты целей Д и β. Эти индикаторы называются индикаторами кругового обзора (ИКО). В РЛС измерения высоты полета цели (высотомерах) используются индикаторы высоты. Индикаторы дальности измеряют только дальность до цели и используются для контроля.

Для точного определения дальности необходимо измерять интервал времени t_з (десятки и сотни мкс) с высокой точностью, то есть требуются приборы с весьма малой инерционностью. Поэтому в индикаторах дальности в качестве измерительных приборов используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).

Примечание. Принцип измерения дальности был изучен в занятии 1, поэтому при изучении этого вопроса основное внимание уделить формированию развертки на ИКО.

Сущность измерения дальности (время запаздывания t_з) с помощью ЭЛТ можно пояснить на примере использования линейной развертки в трубке с электростатическим управлением электронным лучом.

При линейной развертке в ЭЛТ электронный луч под действием напряжения развертки U_р периодически перемещается с постоянной скоростью по прямой слева направо (рис. 1.7,слайд 9, 12). Напряжение развертки вырабатывается специальным генератором развертки, который запускается тем же импульсом синхронизатора, что и модулятор передатчика. Поэтому движение луча по экрану начинается каждый раз в момент посылки зондирующего импульса.

При использовании амплитудной отметки цели отраженный сигнал, поступающий с выхода приемника, вызывает отклонение луча в перпендикулярном направлении. Таким образом, отраженный сигнал можно видеть на экране трубки. Чем дальше находится цель, тем больше времени проходит до момента появления отраженного импульса и дальше вправо успевает переместиться луч вдоль линии развертки. Очевидно, каждой точке линии развертки соответствует определенный момент прихода отраженного сигнала и, следовательно, определенное значение дальности.

В РЛС, работающих в режиме кругового обзора, используются индикаторы кругового обзора (ИКО) и ЭЛТ с электромагнитным отклонением луча и яркостной отметкой. Антенна РЛС с узконаправленным лучом (ДН) перемещается механизмом вращения антенны в горизонтальной плоскости и «просматривает» окружающее пространство (рис. 3.3, слайд,

На ИКО линия развертки дальности вращается по азимуту синхронно с антенной, а начало движения электронного луча от центра трубки в радиальном направлении совпадает с моментом излучения зондирующего импульса. Синхронное вращение развертки на ИКО с антенной РЛС осуществляется при помощи силового синхронного привода (ССП). Ответные сигналы высвечиваются на экране индикатора в виде яркостной отметки.

ИКО позволяет одновременно определять дальность Д и азимут β цели. Для удобства отсчета на экране ИКО электронным способом наносятся масштабные отметки дальности, имеющие вид окружностей и масштабные отметки азимута в виде ярких радиальных линий (рис. 3.3, слайд, 8, 27).

Примечание. Используя телевизионную установку и карточку ТВ предложить студентам определить координаты целей. Указать масштаб индикатора: отметки дальности следуют через 10 км, отметки азимута – через 10 градусов.

В Ы В О Д

(слайд 28)

Определение дальности до объекта при импульсном методе сводится к измерению времени запаздывания t_з отраженного сигнала относительно зондирующего импульса. Момент излучения зондирующего импульса берется за начало отсчета времени распространения радиоволн.

Достоинства импульсных РЛС:

удобство визуального наблюдения одновременно всех целей, облучаемых антенной в виде отметок на экране индикаторов;

поочередная работа передатчика и приемника позволяет использовать одну общую антенну для передачи и приема.

Второй учебный вопрос.

Основные показатели импульсного метода

Основными показателями импульсного метода являются (слайд 29):

- однозначно определяемая максимальная дальность, Д;

разрешающая способность по дальности, δД;

минимальная определяемая дальность, Д_min.

Рассмотрим эти показатели.

Однозначно определяемая максимальная дальность

Максимальная дальность действия РЛС определяется основной формулой радиолокации и зависит от параметров РЛС.

Однозначность определения дальности до объекта зависит от периода следования зондирующих импульсов Т_п. Далее этот вопрос изложить следующим образом.

Максимальная дальность действия РЛС равна 300 км. Определить время задержки до цели, находящейся на этой дальности

Период повторения зондирующих импульсов выбран равным 1000 мкс. Определить дальность до цели, время задержки до которой равно Т_п

В воздушном пространстве находятся две цели: цель № 1 на дальности 100 км и цель № 2 на дальности 200 км. Как будут выглядеть отметки от этих целей на индикаторе РЛС (рис. 3.4, слайд 22, 30).

При зондировании пространства импульсами с периодом повторения 1000 мкс отметка от цели № 1 будет высвечиваться на дальности 50 км, так как после дальности 150 км начнется новый период развертки и дальняя цель даст отметку в начале шкалы (на дистанции 50 км). Отсчитанная дальность не соответствует реальной.

Как исключить неоднозначность в определении дальности?

После обобщения ответов студентов сделать вывод:

Для однозначного определения дальности необходимо период повторения зондирующих импульсов выбирать в соответствии с заданной максимальной дальностью действия РЛС, то есть

.

Для заданной дальности 300 км период повторения зондирующих импульсов должен быть больше 2000 мкс или частота повторения должна быть меньше 500 Гц.

Кроме того, максимально определяемая дальность зависит от ширины ДНА, скорости вращения антенны и необходимого числа импульсов, отраженных от цели за один оборот антенны.

Разрешающей способностью по дальности (δД) называется то минимальное расстояние между двумя целями, находящимися на одном азимуте и угле места, при котором отраженные от них сигналы наблюдаются на экране индикатора еще раздельно (рис. 3.5, слайд 23, 31, 32).

При заданной длительности зондирующего импульса τ_и и расстоянии между целями ∆Д₁ цели № 1 и № 2 облучаются раздельно. При той же длительности импульса, но при расстоянии между целями ∆Д₂ цели № 3 и № 4 облучаются одновременно. Следовательно, в первом случае на экране ИКО будут видны раздельно, а во втором – слитно. Отсюда вытекает, что для раздельного приема импульсных сигналов необходимо, чтобы интервал времени между моментами их приема был больше длительности импульса τ_и (∆t > τ_и)

Минимальная разность (Д₂ – Д₁), при которой цели видны на экране раздельно, по определению есть разрешающая способность по дальности δД, следовательно

Помимо длительности импульса τ_и на разрешающую способность станции по дальности оказывает влияние разрешающая способность индикатора, определяемая масштабом развертки и минимальным диаметром светящегося пятна на экране ЭЛТ (d_п ≈ 1 мм). Чем крупнее масштаб развертки дальности и лучше фокусировка луча ЭЛТ, тем лучше разрешающая способность индикатора.

В общем случае разрешающая способность РЛС по дальности равна

где δД_и – разрешающая способность индикатора.

Чем меньше δД , тем лучше разрешающая способность. Обычно разрешающая способность РЛС по дальности имеет величину δД = (0,5...5) км.

В отличие от разрешающей способности по дальности разрешающая способность по угловым координатам (по азимуту δβ и углу места δε) не зависит от метода радиолокации и определяется шириной диаграммы направленности антенны в соответствующей плоскости, которую принято отсчитывать по уровню половинной мощности.

Разрешающая способность РЛС по азимуту δβ^о равна:

δβ^о = φ_0,5р ^о + δβ_и^о,

где φ_0,5р ^о – ширина диаграммы направленности по половинной мощности в горизонтальной плоскости;

δβ_и^о - разрешающая способность по азимуту индикаторной аппаратуры.

Высокие разрешающие способности РЛС позволяют раздельно наблюдать и определять координаты близко расположенных целей.

Минимальная определяемая дальность – это наименьшее расстояние, на котором станция еще может обнаруживать цель. Иногда пространства вокруг станции, в котором цели не обнаруживаются, называют «мертвой» зоной (слайд 33).

Использование в импульсной РЛС одной антенны для передачи зондирующих импульсов и приема отраженных сигналов требует отключения приемника на время излучения зондирующего импульса τ_u. Поэтому отраженные сигналы, приходящие к станции в момент, когда ее приемник не подключен к антенне, не будут приняты и зарегистрированы на индикаторах. Продолжительность времени, в течение которого приемник не может принимать отраженные сигналы, определяется длительностью зондирующего импульса τ_u и временем, необходимым для переключения антенны с передачи на прием после воздействия на него зондирующего импульса передатчика t_в.

Зная это время, значение минимальной дальности Д_min импульсной РЛС можно определить по формуле

где τ_u - длительность зондирующего импульса РЛС;

t_в - время включения приемника после окончания зондирующего импульса передатчика (единицы – мкс).

Например. При τ_u = 10мкс Д_min = 1500 м

при τ_u = 1 мкс Д_min = 150 м.

Следует иметь ввиду, что к увеличению радиуса «мертвой» зоны Д_min приводит наличие на экране индикатора отраженный от местных предметов и ограниченность пределов поворота антенны по углу места.

В Ы В О Д Импульсный метод радиолокации эффективен при измерении дальностей объектов, находящихся на больших расстояниях.

Третий учебный вопрос

Метод непрерывного излучения

Наряду с использованием импульсного метода радиолокации можно осуществить с помощью установок с непрерывным излучением энергии. При непрерывном методе излучения представляется возможность посылать большую энергию в направлении на цель.

Наряду с преимуществом энергетического порядка метод непрерывного излучения по ряду показателей уступает импульсному методу. В зависимости от того, какой параметр отраженного сигнала служат основой для измерения дальности до цели, при непрерывном методе радиолокации различают:

фазовый (фазометрический) метод радиолокации;

частотный метод радиолокации.

Возможны также комбинированные методы радиолокации, в частности, импульсно-фазовый и импульсно-частотный.

При фазовом методе радиолокации о расстоянии до цели до цели судят по разности фаз излучаемых и принимаемых отраженных колебаний. Первые фазометрические методы измерения расстояния были предложены и разработаны академиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Эти методы нашли применение в длинноволновых авиационных радионавигационных системах большого радиуса действия.

При частотном методе радиолокации о расстоянии до цели судят по частоте биений между прямым и отраженным сигналами.

В Ы В О Д

Определение дальности до объекта при импульсном методе сводится к изменению времени запаздывания t_зап отраженного сигнала относительно зондирующего импульса.

Для однозначности определения дальности до объекта необходимо, чтобы t_{зап.мах} ≤ Т_п.

Разрешающая способность по дальности δД тем лучше, чем меньше длительность зондирующего импульса τ_u.

4