Измерение направления методом анализа огибающей амплитуд отраженных сигналов.

Направленное действие антенны в горизонтальной плоскости представляется нормированной диаграммой направленности антенны (ДНА) по мощности, которую в полярных координатах выражает зависимость

(2.11)

где: – коэффициент направленного действия (КНД) антенны по мощности в направлении на цель;

– КНД в направлении максимального излучения, т.е. в направлении оси ДНА, для которого полагаем =0;

– радиус-вектор, длина которого показывает, во сколько раз плотность потока мощности в данном направлении, т.е. под углом относительно оси ДНА, меньше плотности потока мощности в направлении максимума излучения. При этом F₀ = 1.

Диаграмма направленности реальной антенны имеет лепестковый характер. Она состоит из главного (основного), боковых и задних (фоновых) лепестков. Уровень первых боковых лепестков на 20…30 дБ, а уровень фоновых лепестков на 30…40 дБ ниже уровня основного лепестка ДНА. Следовательно, основная часть излучаемой и принимаемой мощности приходится на долю основного лепестка. При решении многих задач радиолокации боковыми и фоновыми лепестками ДНА можно пренебречь. Форма основного лепестка ДНА симметрична относительно оси и хорошо аппроксимируется функцией

(2.12)

где – ширина ДНА в горизонтальной плоскости по точкам половинной мощности.

Следовательно, в пределах основного лепестка ДНА коэффициент направленного действия в плоскости обзора определяется зависимостью

(2.13)

При облучении цели в процессе вращения ДНА или при ее качании в некотором секторе ее форма определяет амплитуду и мощность отраженного сигнала на выходе антенны (рис. 2.13):

(2.14)

где U_MAX (P_MAX) - амплитуда (мощность) сигнала, принимаемого с направления максимума ДНА.

Однако по одному отсчету амплитуды выходного сигнала антенны еще нельзя однозначно судить о направлении его прихода. Во-первых, в отсчете содержится неизвестный амплитудный множитель U_MAX, который зависит от удаления цели, интенсивности отраженного целью сигнала, затухания в атмосфере и т.п. Во-вторых, одному и тому же уровню отсчета сигнала соответствуют два направления относительно максимума ДНА: истинное и ложное, симметричное истинному. Для устранения неоднозначности измерений направлений применяются два метода:

- метод максимума (метод анализа огибающей)

- метод сравнения.

Метод максимума используется обычно в обзорных радиолокационных средствах, производящих циклический обзор пространства антенным лучом повторяет форму ДНА по мощности. Положение максимума огибающей пачки не зависит от абсолютной величины принимаемого сигнала и определяется однозначно. Измерение направления на цель, сводится к определению момента t₀ , когда огибающая амплитуд сигнала проходит через максимум и считыванию углового положения оси антенны в этот момент.

За один проход луча через направление цели методом анализа огибающей можно определить только одну угловую координату – именно ту, по которой сканирует луч.

В инженерной практике пачка оценивается числом импульсов в пределах ширины ДНА по точкам половинной мощности .

(2.16)

где – угол поворота ДНА за один период повторения импульсов T_и в двухкоординатных РЛС, использующих широкие ДНА в вертикальной плоскости, или за один период сканирования иглообразной ДНА в вертикальной плоскости Т_ск в трехкоординатных РЛС.

Соответственно этому

или . (2.17)

Следовательно, при использовании широких ДНА в вертикальной плоскости

, (2.18)

а при использовании иглообразных ДНА

. (2.19)

В эти выражения входит величина, которая называется временем облучения цели:

, (2.20)

Потенциальная точность данного метода реализуется при условии формирования на выходе антенны когерентной пачки импульсов. Оптимальная когерентная обработка пачки импульсов заключается в следующем.

Высокочастотные импульсы входного сигнала преобразуются в видеоимпульсы той же амплитуды с помощью синхронного детектора. Затем они суммируются с весами , пропорциональными форме огибающей пачки и весами , пропорциональными первой производной огибающей пачки. Нахождение максимума функции, таким образом, сводится к фиксации нуля ее первой производной.

Устройство когерентной обработки содержит два канала: обнаружительный и измерительный. Отсчет направления на цель производится по моменту прохождения через нуль выходного сигнала измерительного канала, когда схема отсчета открыта выходным сигналом канала обнаружения. Управление от канала обнаружения необходимо для того, чтобы фиксировать момент прохождения через нуль лишь во время существования пачки отраженных импульсов.

Реализация когерентного измерителя направления вызывает значительные технические трудности. Поэтому в большинстве случаев используются некогерентные измерители угла по методу анализа огибающей пачки импульсов, сопрягаемые с выходом амплитудного детектора. Амплитуды видеоимпульсов пачки на выходе амплитудного детектора связаны с огибающей входных высокочастотных импульсов нелинейной зависимостью, которая изменяется в соответствии с отношением сигнал/шум (ОСП) в импульсе.

Некогерентный измеритель углового положения отличается от когерентного только весовыми функциями, вид которых изменяется в зависимости от величины ОСП, поскольку изменяется нелинейная зависимость амплитуд. Чем больше ОСП и чем больше число импульсов при заданной ширине ДНА, тем точнее воспроизводится форма ДНА в устройстве обработки и тем лучше определяется её максимум.

Существенные технические трудности реализации оптимальных методов измерения направления на основе анализа производной огибающей амплитуд импульсов пачки обусловили применение упрощенных способов измерения направления.

ВТОРОЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Измерение направления методом сравнения амплитуд отраженных импульсов.

Метода сравнения амплитуд называют также равносигнальным методом. При равносигнальном методе производится сравнение амплитуд сигналов, принимаемых в двух положениях ДНА (рис. 2.19 а). Если направление на цель совпадает с линией, проходящей через точку пересечения диаграмм (равносигнальное направление), то амплитуды сигналов, соответствующие первой и второй диаграммам, равны и разностный сигнал

(2.24)

равен нулю. При наличии рассогласования между направлением на цель и равносигнальным направлением появляется разностный сигнал, величина и знак которого определяются величиной и знаком .

Выбирая угол смещения диаграмм таким, чтобы диаграммы пересекались в области высокой крутизны спада, можно получить высокую точность измерения направления.

Сравнение сигналов может осуществляться последовательно в двух положениях одной и той же ДНА (одноканальная схема с последовательным сравнением) или для двух одновременно создаваемых и пересекающихся диаграмм (двухканальная схема с одновременным сравнением). Благодаря одновременности сравнения двухканальная схема позволяет исключить дополнительные погрешности, вызванные флюктуациями амплитуды принимаемых сигналов.

Рассмотрим применение одноканальной схемы с последовательным сравнением в следящих измерителях направления (СИН).

Антенна РЛС формирует диаграмму направленности, отклоненную от оси антенной системы на угол , не превышающий половины ее ширины . При вращении ДНА образуется равносигнальная ось (рис. 2.19 а), совпадающая с осью антенны. Простейший тип антенны, обеспечивающей коническое сканирование луча, - параболический отражатель со смещенным относительно фокальной оси облучателем, вращающимся вокруг этой равносигнальной оси. При отклонении оси антенны от направления на цель амплитуда принимаемого сигнала изменяется в зависимости от мгновенного положения ДНА по синусоидальному закону с круговой частотой, равной угловой скорости вращения диаграммы .

(2.25)

Глубина модуляции m линейно связана с отклонением (рассогласованием) оси антенны от направления на цель, а фаза (φ) гармонической огибающей импульсов частоты соответствует направлению отклонения. Таким образом, огибающая амплитуды импульсов на выходе амплитудного детектора АД (рис. 2.20) однозначно характеризует величину и направление отклонения цели от равносигнальной линии и поэтому носит название сигнала ошибки (рассогласования). Напряжение сигнала рассогласования

(2.26)

поступает на фазовые детекторы (дискриминаторы) ФД пеленга и угла места.

Опорные напряжения детекторов вырабатываются генератором опорных напряжений (ГОН), ротор которого механически связан с приводом вращения ДНА (ПВДНА).

На выходе фазовых детекторов формируются постоянные составляющие

Они являются сигналами рассогласования по пеленгу и углу места и управляют через усилители У приводами горизонтального (ПВГА) и вертикального (ПВВА) вращения антенны, обеспечивающими такой поворот ее оси, при котором она совмещается с направлением на цель.

ТРЕТИЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Моноимпульсные измерители направления.

Принципиальная особенность моноимпульсного метода измерения направления состоит в том, что эта задача решается на основе каждого принятого импульса сравнением амплитуд или фаз сигналов, принятых несколькими одновременно формируемыми ДНА. Извлечение угловой информации о цели из каждого принятого импульса обеспечивает высокую точность измерения угловых координат, так как в этом случае амплитудные низкочастотные флюктуации отраженных сигналов не влияют на точность измерения.

Моноимпульсный метод является многоканальным в отличие от одноканальных методов, при которых для приема отраженных импульсов используется перемещающаяся в пространстве по определенному закону одна ДНА. Для измерения углового положения цели в одной плоскости моноимпульсный метод предусматривает прием отраженных сигналов двумя ДНА, а в двух плоскостях - не менее трех неподвижных ДНА. При моноимпульсном методе возможно также одновременно измерить координаты нескольких целей, находящихся в зоне пеленгации, что позволяет использовать моноимпульсный метод не только в РЛС слежения, но и в обзорных РЛС.

Несмотря на то, что в идее моноимпульсного метода заложена принципиальная возможность получения угловой информации от одного импульса, практически это осуществить весьма трудно, т.к. необходима определенная величина отношения сигнал/шум, которая не всегда обеспечивается при приеме одиночного импульса, отраженного от удаленной цели.

По этим причинам в моноимпульсных РЛС применяется режим непрерывного излучения импульсов, а извлечение угловой информации о цели осуществляется за счет сравнения параметров некоторой последовательности одновременно принимаемых импульсов, обеспечивающей необходимое отношение сигнал/шум и усреднение результатов измерения.

ЧЕТВЁРТЫЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Измерение пеленга цели при бинарном квантовании отраженных видеоимпульсов

При автоматическом обнаружении целей автоматическое измерение направления в устройствах первичной обработки информации может быть выполнено путем фиксации моментов обнаружения начала и конца пачки (рис. 2.16).

Для реализации этого метода выбросы огибающей смеси «сигнал + помеха» с выхода амплитудного детектора АД поступают на амплитудный ограничитель АО, амплитудный порог которого управляется схемой автоматического регулирования уровня амплитудной отсечки (АРО) в соответствии с заданным относительным уровнем ограничения .

	Рис.2.16. Структурная схема измерения пеленга при бинарном квантовании видеоимпульсов.

Из сигнальных и помеховых выбросов, превысивших порог , в нормирователе формируется бинарная последовательность единиц и нулей в пределах одного дискрета («кольца») дальности. В схеме фиксации начала и конца пачки производится анализ этой последовательности с использованием установленных логических критериев.

По критерию k/n («k из n») начало пачки считается обнаруженным, если в n смежных периодах повторения поступит не менее k единиц, соответствующих одной и той же дальности. Критерий k/n (2/3, 2/4, 3/4 и др.) называют дробным или "мягким", так как он допускает отсутствие единиц в некоторых периодах повторения.

По критерию k/k(«k из k») начало пачки считается обнаруженным лишь при поступлении k импульсов подряд в смежных периодах повторения; этот критерий называют целым или «жестким» (2/2; 3/3; 4/4 и др.).

Аналогичный критерий используется и для фиксации конца пачки; на практике в качестве конца пачки принимается серия из двух (m = 2) или трех (m = 3) пропусков (нулей) подряд. В соответствии с этим конец пачки считается обнаруженным, если на одной и той же дальности после обнаружения пачки сигнал отсутствует в m смежных периодах повторения. Общий логический критерий фиксации начала и конца пачки обозначается в следующем виде «k/n – m» или «k/k – m».

Фиксация начала и конца пачки используется для измерения пеленга начала пачки и пеленга конца пачки , что позволяет определить положение середины пачки, т.е. пеленг цели

(2.21)

Очевидно, что измеренные величины и зависят от вида установленных логических критериев.

ПЯТЫЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Определение угла места и высоты полета цели при растровом развертывании ДНА

В обзорных РЛС ОВЦ моноимпульсный метод измерения угловых координат может быть реализован лишь при использовании многоэлементных фазированных антенных решеток, обеспечивающих электронное сканирование ДНА в двух плоскостях. В связи с достаточно большой сложностью и высокой стоимостью таких РЛС, широкое применение получили корабельные обзорные РЛС, использующие растровый метод развертывания иглообразной ДНА. Электронное перемещение (сканирование) ДНА может быть выполнено частотным или фазовым методом. Наибольшее распространение получил частотный метод.

Обычно углочастотная зависимость антенны такова, что для поворота ДНА на один градус требуется изменение величины несущей частоты на несколько мегагерц. Ширина иглообразной ДНА составляет и полное перекрытие угла обзора в вертикальной плоскости, составляющего , обеспечивается двадцатью-тридцатью дискретными угломестными положениями луча с достаточно глубоким пересечением смежных ДНА в каждом угломестном положении (в каждой «строчке»).

При приближении цели на постоянной высоте Н_ц и при постоянстве пеленга П_ц. На большой дальности (I) отраженные импульсы обнаруживаются только в первом (нижнем) положении ДНА; при этом формируется однострочечная пачка. По мере приближения цели увеличивается ее угол места и растет число импульсов в пачке; в результате под некоторыми углами места (II) может формироваться двухстрочечная пачка. На близких расстояниях интенсивность отраженных импульсов велика и они могут быть обнаружены в нескольких угломестных положениях ДНА (III), т.е. формируется многострочечная (в рассмотренном примере - трехстрочечная) пачка. Для ручного измерения угла места при визуальном обнаружении цели могут использоваться, например, веерные индикаторы (рис.2.24) или индикаторы с прямоугольным растром в координатах «угол места – пеленг» (рис 2.25).

Индикатор с прямоугольным растром обеспечивает одновременное измерение пеленга и угла места цели с помощью визира (жирная линия), конец которого управляется соответствующими штурвалами.

При автоматическом измерении координат в случае однострочечной пачки в качестве измеряемого значения угла места цели принимается угол места того дискретного положения ДНА, при котором эта пачка обнаружена. В случае многострочечной пачки угол места цели вычисляется с учетом соотношения числа импульсов в пачках (строчках), соответствующих смежным дискретным угломестным положениям ДНА. Измеренные значения удаления (Д_ц) и угла места ( ) цели могут быть использованы для вычисления высоты ее полета (рис. 2.26).

(2.29)

где R_э – эквивалентный радиус Земли.

В условиях стандартной рефракции .