Вопрос № 1. Измерение наклонной дальности до цели

Измерение дальности до цели в импульсных РЛС основывается на определении времени распространения радиоволн от РЛС до цели и обратно. Другими словами необходима фиксация моментов излучения зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала и измерения временного интервала между этими моментами. Скорость распространения радиоволн принимается постоянной и равной , а траектория их распространения – прямолинейной. На практике скорость распространения радиоволн меняется с изменением параметров среды, а реальные траектории не являются строго прямолинейными (имеет место их искривление, связанное с явлением рефракции), что приводит к ошибкам измерения.

Рассмотрим процедуру измерения дальности на примере упрощенной структурной схемы импульсного дальномера (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Упрощенная структурная схема импульсного дальномера.

Импульс синхронизации (запуска) периодически запускает передатчик (Радиопередающее устройство РПУ), который формирует высокочастотный импульсный зондирующий сигнал длительностью с периодом повторения (рис. 2.19)

Через антенный переключатель АП зондирующие сигналы поступают на антенну, и излучается в пространство. Отраженный от цели сигнал (эхо-сигнал - ) через антенну и антенный переключатель поступает на радиоприемное устройство РПрУ, на которое так же поступает часть энергии зондирующего сигнала для реализации защиты от пассивных помех (в данном случае эта задача пока не рассматривается). Радиоприемное устройство усиливает принятый эхо-сигнал, преобразует его на промежуточную частоту, на которой производится основное усиление эхо-сигнала, и выделяет огибающую принимаемого эхо-сигнала. Можно считать, что время запаздывания огибающей каждого принятого импульса эхо-сигнала характеризует дальность до цели (объекта отражения электромагнитной энергии).

Рис. 2.19. Эпюры напряжений, поясняющие принцип измерения дальности импульсной РЛС.

От синхронизатора и радиоприемного устройства видеоимпульсы проводятся к измерителю времени запаздывания, где сравниваются моменты излучения зондирующих сигналов и приема эхо-сигналов и определяется время запаздывания . Для измерения времени запаздывания эхо-сигнала используется либо индикаторное устройство (электронно-лучевая трубка), цибо цифровой измеритель дальности. Время запаздывания определяется выражением , а дальность до цели - .

Определение дальности с помощью электронно-лучевой трубки производится следующим образом. На отклоняющую систему (катушки) подается ток пилообразной формы для отклонения электронного луча от центра к краю (рис. 2.20). Скорость отклонения луча пропорциональна скорости распространения радиоволн. На управляющий электрод трубки, кроме импульсов эхо-сигналов, подаются масштабные отметки дальности, которые по мере вращения развертки образуют «кольца» дальности. по положению

Рис. 2.20. Вид экрана индикатора кругового обзора с отметками (кольцами) дальности.

отметки эхо-сигнала относительно отметок дальности определяется дальность до цели при так называемом «визуальном» способе определения координат.

В РЛС с цифровой обработкой сигналов дальность действия (период повторения) делится на дискреты дальности . Поэтому дальность до цели определяется соотношением , где - номер канала дальности, в котором находится цель.

Упрощенная структурная схема цифрового измерителя дальности приведена на рис. 2.21.

Рис 2.21. Упрощенная структурная схема цифрового измерителя дальности.

Генератор тактовых импульсов ГТИ формирует последовательность видеоимпульсов коротких по длительности с частотой . В каждом периоде повторения его работа синхронизируется импульсами запуска . Счетчик считает тактовые импульсы весь период повторения, но в конце периода обнуляется импульсами конца дальности . В случае обнаружения цели с обнаружением эхо-сигналов на схемы совпадения (их количество равно числу разрядов кода, которым кодируется дальность) поступает сигнал обнаружения и цифровой код дальности поступает на следующие устройства обработки информации.

При измерении дальности по пачке отраженных сигналов оценка дальности до цели вырабатывается путем усреднения результатов измерения в каждом периоде повторения

где - число импульсов в пачке.

Различие значений по одной и той же цели в пределах пачки отраженных сигналов объясняется влиянием шумов (помех).

Для повышения точности отсчета дальности целесообразно определять «центр тяжести» отсчета с учетом амплитуды отраженного сигнала (при многоуровневом квантовании аналогового сигнала), т.е. использовать все отметки амплитуд, накопленные от одной цели в течение пачки импульсов соседних дискретов дальности. Формула для определения дальности в этом случае имеет вид

где - текущий дальностный дискрет в канале (приемном); - амплитуда сигналов от цели, полученная в дискрете дальности от импульса пачки (в периоде повторения) и канале; - номер дискрета дальности в одном канале; - номер импульса в пачке эхо-сигналов; - количество каналов обработки, по которым пришла информация об одной цели (для пространственно многоканальной РЛС, в противном случае ).

Для обеспечения однозначного измерения дальности до цели необходимо, чтобы соблюдалось условие , а интервал однозначного измерения дальности находился в пределах . Отсюда следует, что для однозначного измерения дальностей целей в пределах от 0 до период повторения импульсов должен удовлетворять условию .

Импульсный метод измерения дальностей до целей используется в большинстве РЛС РТВ. Достоинства импульсных дальномеров:

возможность построения РЛС с одной антенной на передачу и прием;

возможность одновременного измерения дальностей нескольких целей;

простота разделения излучаемых зондирующих сигналов и принимаемых эхо-сигналов;

Основным недостатком импульсного метода являются:

необходимость генерирования больших импульсных мощностей зондирующих сигналов для получения необходимой дальности действия РЛС;

большая минимальная дальность (невозможность измерения мелких дальностей), определяемая длительностью излучаемых импульсов и временем протекания переходных процессов в антенном переключателе, которая составляет в РЛС РТВ единицы километров ().

Частотный метод измерения дальности. Измерение дальности основано на частотной модуляции непрерывного излучаемого сигнала (рис. 2.22).

Время запаздывания эхо-сигнала или пропорционально разности частот и излучаемого и отраженного сигналов.

Фазовый метод измерения дальности основан на измерении разности фаз импульсных непрерывных синусоидальных колебаний и принятых эхо-сигналов. Основная трудность применения фазового метода – преодоление неоднозначности измерения разности фаз, поскольку фазометрическое устройство позволяет измерять фазовые сдвиги только в пределах от 0 до . Поэтому однозначное измерение дальности также находится в пределах (с учетом распространения радиоволн до цели и обратно).

Рис 2.22. Структура непрерывного колебания с частотной модуляцией а)излучаемого сигнала и б)отраженного сигнала.

Обеспечение однозначного измерения дальности. Принципиально для измерения дальности достаточно, чтобы зондирующий сигнал представлял собой одиночный импульс.

Измерение времени запаздывания позволяет определить время запаздывания t_з в пределах от 0 до Т_п. Если t_з> Т_п и отраженный сигнал приходится на следующий цикл работы РЛС, то с помощью импульса РЛС фиксируется разность Dt = t_з- Т_п, а определяемая дальность до цели составит DD = c^. Dt/2 вместо истинной D = c^.t_з/2. Таким образом, интервал однозначного измерения дальности D_одн ограничивается неравенством 0 < D_одн < c^.Т_п/2.

Отсюда следует, что для однозначного измерения дальности до целей в пределах от 0 до D_мах период следования импульсов Т_п должен удовлетворять условию

Т_п> 2^.D_мах/c. (2.18)

На практике же период следования импульсов в некоторых РЛС выбирают в несколько раз меньше, чем этого требует условие (2.18), что связано с обеспечением защищенности РЛС от пассивных помех. Выполнение требования измерения дальности от 0 до D_мах при этом обеспечивается, например, использованием нескольких частот повторения импульсов (рис.2.8 и 2.9). На рис.2.8 показана схема обработки, устраняющая неоднозначность измерения дальности. Согласно рисунку, после видеодетектора включены две схемы селекции импульсов по периоду следования. Через одну из них проходят сигналы с периодом Т₁, а через другую - Т₂. От схем селекции сигналы поступают к схеме " И". Импульсное напряжение U_вых используется для однозначного измерения дальности в пределах от 0 до D_мах.

Рис.2.8. Пояснение принципа изменения частоты повторения в РЛС

Рис.2.9. Эпюры, поясняющие принцип изменения частоты повторения

Описанный метод измерения дальности относится к классу импульсных методов. Именно такой метод используется в большинстве РЛС РТВ. Причинами этого являются достоинства импульсных дальномеров, к которым следует отнести: возможность построения РЛС с одной антенной на прием и передачу; простоту индикаторного устройства; удобство одновременного измерения дальности многих целей; простоту разделения излучаемых импульсов и принимаемых сигналов.

Основными недостатками импульсного метода являются: необходимость использования больших импульсных мощностей передатчиков для получения необходимой дальности действия РЛС; большая минимальная дальность (и, соответственно, невозможность измерения малых дальностей), определяемая длительностью излучаемых импульсов и временем протекания переходных процессов в антенном переключателе, которая составляет в РЛС РТВ единицы километров (D_мин> ct_и/2).

Кроме рассмотренного импульсного метода измерения дальности, существуют и другие методы.

Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных колебаний. Время запаздывания определяется путем измерения разности частот излученных колебаний и отраженного сигнала.

Фазовые методы измерения дальности основаны на измерении разности фаз излученных синусоидальных колебаний и принятых радиосигналов. При использовании этого метода основной трудностью является преодоление неоднозначности отсчета фазы, так как фазометрическое устройство позволяет определять фазовые сдвиги только в пределах от 0 до 2p. Поэтому D_одн < l/2.

В цифровых измерителях дальности при использовании импульсного метода измерения оценка дальности до цели D^* вырабатывается путем усреднения результатов измерения D_i в каждом периоде повторения

_D^* _{= Di/М,} (2.19)

где М-число импульсов в пачке.

Различие значений D_i по одной и той же цели в пределах пачки отраженных эхо-сигналов объясняется влиянием шумов.

Для повышения точности отсчета дальности целесообразно определять центр тяжести отсчета дальности с учетом амплитуды отраженного сигнала, т.е. использовать все накопленные от одной отметки амплитуды. Формула для определения дальности записывается следующим образом

D^* = D_{i, k}U_{i, j, k} / U_{i, j, k}, (2.20)

где k = 1...K -количество каналов, по которым пришла информация об одной отметке (для пространственно многоканальной РЛС, в противном случае К=1); j = 1...М - номер импульса в пачке; i = 1...I - номер дальностного дискрета в одном канале; r_{i, k} - текущий дальностный дискрет в k-м канале; U_{i, j, k} - амплитуда сигналов от цели, полученная в i-м дискрете, от j-го импульса пачки (в j-м периоде повторения и k-м канале.