Утверждаю

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

10 мин.

1.

Импульсно-частотный метод радиолокации

15 мин.

2.

Двухчастотный метод радиолокации

15 мин.

3.

Эффект Допплера и принцип измерения радиальной скорости

20 мин

4.

Методы определения угловых координат

20 мин

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

10 мин.

№ п\п

Изучаемый вопрос

метод

время

1

2.1

2.2

2.3

2.4

3.

Вступительная часть:

• Прием доклада дежурного по взводу;

• Проверка личного состава и готовности к занятию;

• Целесообразно провести контрольный опрос по теме 1/3.

1. Сущность импульсного метода радиолокации.

2. Нарисовать структурную схему импульсной РЛС.

3. Рассказать принцип работы по структурной схеме и азначение элементов импульсной РЛС (по нарисованной схеме).

4. Что называется разрешающей способностью по дальности и от чего она зависит?

Оценить ответы и объявить оценки. Сделать выводы об усвоении материала.

• Доведения темы, целей занятия и учебных

вопросов;

____________________________________________

Основная часть.

Первый учебный вопрос.

Импульсно-частотный метод радиолокации

При изучении вопроса об основных показателях импульсной РЛС установлено, что для повышения максимальной дальности действия РЛС нужно увеличивать импульсную мощность передатчика и повышать чувствительность приемника Р_пр.min. Практически возможности увеличения мощности передатчика ограничены по ряду причин (увеличение мощности требует значительного повышения напряжения, что в свою очередь повышает требования к изоляционным свойствам приборов).

При заданном значении максимальной мощности передатчика дальность действия РЛС можно увеличить путем увеличения длительности импульса (слайд 35). Это следует из основного уравнения радиолокации, если реальную чувствительность приемника заменить предельной, которая зависит от τ_u

, тогда

.

Произведение называется энергетическим потенциалом станции.Однако увеличение длительности зондирующего импульса ухудшает разрешающую способность станции по дальности δД.

Одним из возможных путей преодоления противоречий между стремлением к увеличению дальности действия РЛС путем расширения длительности зондирующих импульсов и необходимостью сохранения высокой разрешающей способности по дальности является применение сложных зондирующих радиоимпульсов большой длительности с внутренней частотной и фазовой модуляцией. Отраженные от целей радиоимпульсы в приемнике путем специальной обработки сжимают до длительности, обеспечивающей заданную разрешающую способность по дальности, поэтому этот метод называется методом сжатия импульсов.

В зависимости от того, какая внутриимпульсная модуляция используется, различают импульсно-частотный и импульсно-фазовый метод радиолокации.

Импульсно-частотный метод радиолокации

Упрощенная структурная схема РЛС с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией изображена на рис. 4.1 (слайд 25, 36).

Передающее устройство генерирует радиоимпульсы большой длительности τ_u. Частота внутри импульса изменяется по линейному закону. Этот сигнал часто называют линейно-частотно-модулированным сигналом (ЛЧМ-сигналом). Благодаря большой длительности импульса удается получить от передающего устройства большую мощность Р_и .

Форма зондирующего импульса и закон изменения частоты показаны на рис. 4.2.(слайд 26, 37).

Отраженные от цели радиоимпульсы принимаются антенной станции и через антенный переключатель поступают на приемник, где они усиливаются, с помощью сжимающего фильтра происходит сжатие импульсов до нужной длительности τ_u2 с соответствующим увеличением максимальной мощности в импульсе, далее детектируется и отображается на индикаторном устройстве.

В качестве сжимающего фильтра используется линия задержки. Время задержки линейно зависит от частоты передатчика (рис. 4.3, слайд 28, 38, 39). Эта линия задержки называется дисперсионной.

В таком фильтре высокие частоты импульса f_мах , пришедшие раньше, задерживаются больше, а низкие частоты f_min, пришедшие позже, задерживаются меньше.

В результате все частотные составляющие импульса смещаются во времени к концу импульса, то есть импульс сживается во времени, укорачивается на время, обратно пропорциональное девиации частоты. Степень сжатия импульса определяется пределами изменения частоты в импульсе (девиацией частоты) Δf_m = f_max – f_min .

Длительность импульса на выходе фильтра τ_u2 равна

.

Отношение длительности импульса на входе сжимающего фильтра τ_u к длительности импульса на выходе τ_u2 называется коэффициентом сжатия к

.

Полагая, что потери в фильтре отсутствуют, получаем на выходе прежнюю энергию в импульсе:

или .

Мощность импульса на выходе сжимающего фильтра возрастает в «к» раз. Тка, например, для сжатия импульса длительностью τ_u = 500 мкс в 100 раз, то есть до τ_u2 = 5 мкс необходимо, чтобы девиация частоты в импульсе была:

.

Если при этом мощность импульса на входе фильтра составляет Р_{и вх} = 1 мкВт, то на выходе фильтра мощность импульса будет

Используемая для генерирования излучения и обработки сигналов аппаратура в РЛС со сжатием импульсов похожа на соответствующие устройства обычных импульсных РЛС. Приемник РЛС, работающий по методу сжатия импульсов, должен иметь значительно более широкую полосу пропускания, чем приемник обычной импульсной РЛС.

Однако это не приводит к ухудшению соотношения сигнал/шум, ибо во сколько раз увеличивается мощность шумов, во столько же раз увеличивается мощность импульса при сжатии.

Повышение точности и разрешающей способности по дальности, имеющее место при сжатии импульсов, происходит практически без снижения дальности действия РЛС, которая зависит от энергии в импульсе и отношения сигнал/шум.

Численно потенциальная разрешающая способность по дальности при этом методе определяется длительностью сжатого импульса τ_u2

.

РЛС с внутриимпульсной модуляцией имеет высокие тактические и технические характеристики благодаря использованию в них сложных зондирующих импульсов. Импульсная мощность передатчика достигает десятков меговатт. В качестве генераторов и усилителей СВЧ используются, в частности, лампы бегущей волны и клистронные усилители мощности.

В Ы В О Д

Метод сжатия импульсов позволяет значительно повысить дальность действия РЛС.

Широко используются в РЛС ПРО, где требуется обеспечить обнаружение ракет на больших дальностях.

В РЛС РТВ СВО используется реже из-за все-таки недостаточной разрешающей способности по дальности.

Второй учебный вопрос.

Двухчастотный метод радиолокацииОдним из новых направлений развития современной радиотехники является многочастотная радиолокация. Сущность её заключается в зондировании пространства сигналами нескольких несущих частот, излучаемыми одной РЛС. Многочастотное зондирование пространства применяется для увеличения дальности действия РЛС, более точного измерения дальности и скорости цели, повышения помехозащищенности и улучшения других характеристик РЛС.

Наиболее распространенными типами современных многочастотных радиолокационных устройств являются:

• многочастотные РЛС непрерывного излучения;

• импульсные РЛС с одновременным излучением нескольких частот;

• РЛС с череспериодной перестройкой несущей частоты от импульса к импульсу.

Рассмотрим принцип работы двухчастотной импульсной РЛС.

Упрощенная структурная схема двухчастотной импульсной РЛС и графики, поясняющие принцип работы, приведены на рис. 4.4 и 4.5 (слайды 31, 32, 40, 41).

В состав РЛС входят два импульсных передатчика с разными несущими частотами зондирующих импульсов f₁ и f₂, синхронизатор, обеспечивающий одновременность их работы и два узкополосных приемника с общим сумматором сигналов.

Принцип работы заключается в том, что передатчики генерируют высокочастотные зондирующие импульсы на двух разных частотах f₁ и f₂длительностьюτ_u1и τ_u2, общая длительность зондирующего импульса составляет

τ_u=τ_u1 + τ_u2.

Таким образом происходит скачкообразное изменение несущей частоты в пределах длительности каждого зондирующего импульса (τ_u).

Отраженные от целей сигналы на частотах (ƒ₁ + F_g1 ) и (ƒ₂+ F_g2) поступают на вход обоих приемников, где происходит их разделение. В приемникахIиIIосуществляется независимая обработка принятых сигналов с различными несущими частотами.

Выходной сигнал U_{вых.дет.1}Iприемника до подачи на сумматор сигналов задерживается на время, равное τ_u1, и тогда он совпадает по времени с выходным сигналомIIприемникаU_{вых.дет.2}. На сумматоре сигналовΣпроисходит суммирование выходных сигналов обоих приемников (U₁ +U₂) .

Длительность выходного импульса равна τ_u/2, то есть происходит сжатие импульсов, чем обеспечивается высокая разрешающая способность по дальности (δД).

Многочастотные РЛС обладают большим энергетическим потенциалом (W_u = P_u·τ_u), гдеτ_uбольшое), повышенной помехозащищенностью и надежностью работы (при выходе из строя одного передатчика или приемника работоспособность РЛС сохраняется, лишь ухудшаются отдельные характеристики).

Преимущества многочастотной радиолокации целей по сравнению с одночастным зондированием пространства позволяет считать это направление одним из наиболее перспективных.

Принцип многочастотной импульсной радиолокации нашли широкое применение в:

• РЛС обнаружения и наведения для повышения помехозащищенности:

• РЛС дальнего обнаружения для увеличения дальности действия или вероятного обнаружения целей:

• РЛС наведения управляемых снарядов и ракет для повышения точности наведения по дальности и др.

Третий учебный вопрос.

Эффект Допплера и принцип измерения радиальной скорости цели

РЛС РТВ в основном обнаруживают и определяют координаты движущихся объектов. При работе РЛС по движущимся целям наблюдается изменение частоты отраженного сигнала по отношению к частоте зондирующего сигнала. Это явление называется эффектом Допплера.

Передатчик РЛС излучает зондирующий сигнал

U_з = U_mз · sin(ω_ο t + φ_ο), (1)

где U_mз– амплитуда колебаний зондирующего сигнала;

ω_ο - рабочая частота РЛС;

φ_ο - начальная фаза.

Сигналы, отраженные от цели, задержаны на время запаздывания

U_oc = U_mc · sin[ω_ο(t +t_з ) +ω_ο], (2)

где U_mc- амплитуда отраженного сигнала;

t_з - время запаздывания отраженного сигнала относительно начала из лучения.

Время задержки определяется по известной формуле

.

Подставив это выражение в формулу (2), получим

U_ос = U_mc · ѕіn(ω_οt+ω_ο+φ_ο). (3)

Величина 2Д/сопределяет фазовый сдвиг цели (φ_ц), который характеризует изменение фазы на определенной дальности. При неподвижной цели дальность до нее не изменяется, поэтому сдвиг фазы отраженного сигнала будет постоянным в различных периодах обзора (φ_ц=const)/

При отражении сигнала от движущейся цели дальность до нее изменяется в зависимости от скорости движения цели (рис. 5.6, слайд 30, 43).

На изменение фазы отраженного сигнала влияет радиальная составляющая ν_rскорости цели.

Примечение. Указать студентам, что при движении цели вокруг РЛС по окружности радиальная скорость равна нулю.

Изменение дальности до цели от момента обнаружения можно записать следующим образом

Д = Д_о ± ν_rt,

где Д_о – начальная дальность обнаружения;

ν_r - радиальная скорость цели относительно РЛС.

В этом случае изменение фазы отраженного сигнала можно представить в виде

,

где - постоянный фазовый сдвиг, определяемый дальностью до цели.

Полагая радиальную скорость постоянной, можно определить изменение фазы во времени. Изменение фазы во времени есть частота колебаний

.

Величина получила название частоты ДопплераΩ_g.

Так как , а, точастоту Допплера можно записать как

.

Отраженный сигнал от цели запишется

.

Из этого выражения видно, что частота отраженного сигнала отличается от частоты зондирующего на допплеровскую добавку.

Знак «плюс» берется, когда цель движется на РЛС, а «минус» – при удалении цели от станции.

Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод:

• при отражении сигналов от подвижных целей частота принимаемых сигналов отличается от частоты излученных сигналов на величину допплеровской частоты;

• величина допплеровской добавки частоты отраженного сигнала зависит от радиальной скорости цели и от длины волны передатчика.

Следовательно, появляется возможность разделения сигналов подвижных и неподвижных (малоподвижных) целей путем измерения допплеровской частоты или разности фаз между отраженным сигналом и сигналом передатчика РЛС. В зависимости от вида зондирующего сигнала и метода сравнения параметров отраженного сигнала с параметрами опорного напряжения различают когерентный метод непрерывного излучения и когерентно-импульсный метод СДЦ (СПЦ).

В импульсных РЛС используется когерентно-импульсный метод селекции движущихся целей.

При современных скоростях целей допплеровская добавка частоты для станций метрового диапазона составляет десятки-сотни герц, а для сантиметрового диапазона волн –сотни герц, десятки килогерц.

При постоянной частоте излучения по отношению принимаемого сигнала F_gможно обнаружить и определить радиальную скорость цели. Структурная схема РЛС непрерывного излучения для измерения радиальной скорости цели показана на рис. 4.7 (слайд 29, 44).

Передатчик станции генерирует непрерывные синусоидальные колебания частотой f_г, которые антенной излучаются в пространство. Отраженные сигналы на частоте f_э-с принимаются приемной антенной и подаются на смеситель приемника, куда также с передатчика через аттенюатор поступают колебания на частоте f₂ . В результате смешивания излучаемого и принимаемого сигналов возникают колебания допплеровской частоты (биение частот):

f_д = f_г – f_э-с.

Появление биения частот свидетельствует о наличии цели, а по величине разности частот F_дможно определить радиальную скорость цели.

Допплеровская частота выделяется фильтром и выдается на индикатор. Индикатором РЛС может быть стрелочный или цифровой частотомер.

Направление на цель можно определить путем поворота узконаправленной антенны. Дальность определяется использованием более сложных систем.

Примечание. Привести примеры использования эффекта Допплера в радиовзрывателях ракет, при измерении скорости движения автомобилей инспекторами ГАИ. При изучении эффекта Допплера можно использовать простейшее объяснение: при движении самолета на РЛС цель как бы набегает на радиоволны и пересекает их чаще (частота эхо-сигнала увеличивается). При удалении цели от РЛС самолет как бы уходит от радиоволн и поэтому частота пересечения их уменьшается (частота эхо-сигнала уменьшается).

В Ы В О Д

(слайд 45)

1. Допплеровская частота обусловлена радиальной скоростью цели.

2. Для неподвижный объектов (υ_r = 0)частота отраженного сигнала равна частоте излучаемых колебаний.

3. При приближении цели частота отраженного сигнала повышается (f_э-с = f_г +2 Δf), при удалении уменьшается(f_э-с = f_г - 2Δf).

Эффект Допплера позволяет выделить отраженные сигналы от подвижных целей на фоне отражений от неподвижных местных предметов или медленно перемещающихся объектов.

Четвертый учебный вопрос

Методы определения угловых координат

Определение направления на объект с помощью радиоволн называется радиопеленгацией и сводится к определению угловых координат объекта.

Под угловыми координатами объекта (цели) понимают азимут β и угол местаε.

Определение угловых координат объектов производится за счет использования направленного излучения и приема радиоволн антеннами РЛС. Методы определения угловых координат (радиопеленгация) делятся на амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые.

Наиболее широкое применение в РЛС нашли амплитудные методы радиопеленгации. Вследствие направленного излучения и приема электромагнитной энергии антенной амплитуда отраженного сигнала зависит от расположения цели относительно оси антенной системы. Эта зависимость и лежит в основе определения угловых координат амплитудным методом.

Амплитудных методов три:

• метод пеленгации по максимуму отраженного сигнала;

• метод пеленгации по минимуму отраженного сигнала;

• метод равносигнальной зоны.

Метод пеленгации по максимуму

Так как направление максимального излучения антенны совпадает с геометрической осью ДНА, то амплитуда отраженного сигнала максимальна, когда направление на цель совпадает с направлением оси антенны (рис. 4.8, слайд 32, 46).

В простейшем случае для определения угловых координат по максимуму отраженного сигнала оператор, поворачивая антенну, следит по экрану индикатора за изменением амплитуды отраженного сигнала, добиваясь максимальной амплитуды. Направление оси антенной системы при этом фокусируется специальными датчиками, связанными с приводом антенны, со шкал которых и считывается как азимут, так и угол места цели.

Основными достоинствами метода являются:

- простота определения угловых координат;

- пеленгация осуществляется при наиболее благоприятном отношении сигнал/шум, поскольку пеленг отсчитывается в момент максимума сигнала.

Благодаря этим достоинствам данный метод получил широкое распространение в РЛС, работающих в режиме кругового обзора.

Одним из основных недостатков метода является малая точность. Ошибка составляет 0,1...0,25 от ширины ДНА по половинной мощности. Малая точность объясняется тем, что вблизи максимума ДНА небольшие отклонения цели от оси антенны сказываются на амплитуде отраженного сигнала

Для повышения точности при пеленгации по максимуму используют антенны с узкими (игольчатыми) ДНА, а также применяют метод «вилки» (β_ц = β₁ + β₂)/2, требуется некоторое время).

Метод пеленгации по минимуму

Для пеленгации по минимуму отраженного сигнала используются ДНА, имеющие лепестковый характер («провалы») (рис. 4.9., слайд 33, 47).

Угловые координаты цели определяются по направлению оси антенны, соответствующему амплитуде (минимальной) отраженного сигнала.

При пеленгации методом минимума поворотом антенны ДН поворачивается до тех пор, пока линия «нулевого» приема не совпадет с направлением на объект, то есть отраженный сигнал на экране индикатора не уменьшается до минимального значения. В этом момент производится отсчет угловой координаты, угла места или азимута с помощью угловой шкалы, связанной с приводом антенны. Основным достоинством метода минимума является более высокая точность пеленгации, так как амплитуда отраженного сигнала в области нулевого приема изменяется более резко с изменением положения антенны.

Существенным недостатком этого метода является сокращение дальности действия станции в момент отсчета пеленга. Кроме того в момент отсчета угловых координат сигнал от цели на экране индикатора отсутствует, что может привести к ложному пеленгу.

Этот метод широкого применения в радиолокации не получил. Однако, в радионавигационных системах метод пеленгации по минимуму является одним из основных.

Метод равносигнальной зоны

Этот метод основан на сравнении амплитуд отраженных сигналов, принимаемых антенным устройством, имеющим две одинаковые ДН, направления максимумов которых расходятся под некоторым углом и частично перекрывают друг друга (рис. 4.10, слайд 34, 48).

При пеленгации методом равносигнальной зоны оператор, поворачивая антенную систему в плоскости пеленгации, добивается такого его положения, при котором сигналы, принятые каждой антенной, будут равны между собой. В этот момент оператор отсчитывает пеленг цели по прибору, указывающему угловое положение антенной системы.

Равносигнальное направление можно образовать несколькими методами:

• методом двух антенн;

• методом трех антенн;

• методом конического обзора пространства.

Пеленгация методом равносигнальной зоны дает высокую точность определения угловых координат без значительного уменьшения дальности действия станции Д = (0,6...0,8) Д_max.

Недостатки:

• меньшая дальность действия;

• более сложное антенное устройство.

Равносигнальный метод находит широкое применение как для определения азимута, так и угла места цели.

При фазовых и амплитудно-фазовых методах определения угловых координат используются как фазовые, так и амплитудные соотношения отраженных сигналов, принятых двумя разнесенными приемными антеннами. Эти методы используются при работе РЛС в непрерывном режиме, которые не нашли широкого применения в РЛС РТВ СВО.

В Ы В О Д

• Метод сжатия импульсов позволяет повысить энергию в импульсе и тем самым увеличить дальность действия РЛС.

• Эффект Допплера, обусловленный движением цели, позволяет выделить отраженные сигналы от подвижных целей на фоне отражений от неподвижных местных предметов.

Заключительная часть

- Вывод по занятию;

Достигнуты учебные цели;

- Вопросы для контроля усвоения материала

1. Принцип импульсно-частотного метода радиолокации (сжатия импульсов).

2. Сущность эффекта Допплера, уравнение допплеровской частоты т его анализ.

3. Принцип работы двухчастотной импульсной РЛС одновременного излучения.

4. Сущность метода пеленгации по максимуму.

Задание на самоподготовку:

Слуцкий В.З. Импульсная техника и основы радиолокации. С. 255-261, 227-232.

Принципы и методы радиолокации. Учебное пособие. Часть I.

Знать сущность эффекта Допплера и его использование в радиолокации.

Уметь определять координаты целей по виду отметок на индикаторах.

Окончание занятия;

устно

под запись

под запись

под запись

под запись

под запись

устно

устно

под запись

2 мин

2 мин

4 мин

2 мин

15 мин

15 мин

20 мин

20 мин

2 мин

5 мин

3 мин