Материал: Устройства локации и навигации
Если U(t) = 
то, проходя через цепь (состоящую из интегратора, линии задержки и
вычитающего устройства рис. 6), одиночный импульс с t = Т, получим отклик треугольной формы с
длительностью при основании 2Т, при этом эффективная длительность отклика
фильтра равна Т.
Рис. 6
Максимальное значение отклика в момент окончания входного воздействия пропорционально энергии сигнала. В качестве интегратора обычно используется колебательный LС-контур либо кварцевые резонаторы, передаточная функция которых приближенно реализует функцию
.
Передаточная функция ЛЗ равна
.
Передаточная функция всего фильтра с точностью до постоянного множителя С×ехрj(-wT0) повторяет сопряженный спектр сигнала
электромагнитный радиолокатор навигация
. (3)
Фазовый множитель ехрj(w0Т0) имеет постоянную величину и должен быть скомпенсирован с помощью фазовращателя (т.к. w0 может меняться, то необходимо контролировать фазовращатель).
Перед оптимальным фильтром не ставится задача сохранения формы полезного сигнала, а только лишь достижения наибольшего отношения сигнал/шум. Поэтому независимо от фазовых соотношений между гармоническими составляющими входного сигнала на выходе фильтра все гармоники должны быть синфазны. Иначе говоря, гармонические составляющие выходного сигнала должны одновременно достигать амплитудных значений одной и той же полярности. Это возможно лишь в том случае, если фазочастотная характеристика оптимального фильтра будет повторять фазовую характеристику спектра передаваемого сигнала, но с противоположным знаком.
Одинаковым ФЧХ реальных устройств (независимо от знака) соответствуют одинаковые АЧХ. Поэтому АЧХ оптимального фильтра повторяет форму амплитудной характеристики спектра сигнала S(w). Очевидно, что оптимальный фильтр с определенными ЧХ пригоден только для передачи импульсов одной конкретной формы.
Отраженные импульсы большей частью близки к прямоугольным. Оптимальный фильтр, предназначенный для передачи одиночного импульса прямоугольной формы, должен иметь непрерывную АЧХ, подобную спектру одиночного импульса (рис. 7, а). Особый интерес представляет АЧХ фильтра, предназначенного для передачи небольшой серии (пачки) отраженных импульсов. На рис. 7, б приведен вид главных лепестков частотного спектра для пачки из N импульсов. Такую же форму должна иметь АЧХ фильтра. По форме ЧХ подобные фильтры называют гребенчатыми.
Пунктиром на рис. 7, б показан энергетический частотный спектр
флуктуационных шумов. Из рисунка видна причина подавления шумов при
сравнительно малых искажениях сигнала. Спектр сигнала совпадает с полосами
прозрачности фильтра. В то же время спектр шума, равномерно распределенный по
частоте, в значительной своей части не попадает в узкие полосы прозрачности
фильтра.
а
б
Рис. 7
Степень подавления шумов определяется сужением суммарной полосы прозрачности фильтра по сравнению с полосой пропускания обычного полосового фильтра. По ширине каждой составляющей (кроме первой), равной 2/(ТпN), и числу составляющих (до первого перехода огибающей через нуль), равному скважности Q=Tп/tи, получаем суммарную полосу пропускания оптимального фильтра 2/(Ntи).
Поскольку полоса пропускания обычного полосового фильтра Df = 1/tи, то видно, что применение гребенчатого фильтра позволяет ослабить шума в N/2 раза. Этим обеспечивается возможность выделения отраженных сигналов, лежащих ниже уровня шумов.
Для реализации передаточной функции, соответствующей пачке импульсов, можно использовать N - 1 задерживающих устройств и сумматор рис. 8, при N значительной величины сумматор труднореализуем, поэтому чаще используют схему, приведенную на рис. 9.
Первый импульс пачки поступает с выхода сумматора через цепь
обратной связи на его вход с задержкой Тп, в этот момент на вход
сумматора поступает второй импульс и суммируется с первым (задержанным), в
следующий период эта сумма складывается с третьим и т.д.
Рис. 8
Так все импульсы суммируются и в дальнейшем суммарный импульс
будет повторяться с периодом Тп. Затем на вычитающем устройстве
производится вычитание незадержанной и задержанной на время NТп последовательностей. В результате отклик
гребенчатого фильтра будет представлять пачку импульсов длительностью (2N - - 1) Tп.
Рис. 9
Существуют различные технические реализации методов построения приемных устройств, обеспечивающих фильтрацию полезных сигналов, близкую к оптимальной. К ним относится корреляционный прием, оптимальная фильтрация одиночного импульса с последующим синхронным интегрированием и др.
Выше было отмечено, что относительно большую помехоустойчивость имеют станции с большей чувствительностью приемника. Рассмотрим один метод повышения этого параметра - метод «сжатия импульса».
Понятно, что при данном значении максимальной импульсной мощности Рмакс увеличение энергии в импульсе возможно лишь за счет увеличения его длительности tи. Однако это ухудшает разрешающую способность по дальности.
При использовании метода «сжатия импульсов» передатчик генерирует импульс сравнительно большой длительности (tи1), модулированный по частоте или по фазе. (Благодаря большой tи удается от различных СВЧ-приборов получить наибольшую допустимую среднюю мощность).
Затем происходит сжатие принимаемых импульсов до нужной
длительности (tи2) с соответствующим увеличением максимальной мощности в
импульсе. Фильтр сжатия, на который поступает импульс длительности tи1, представляет собой
схему задержки.
Рис. 10
На рис. 10 приведена требуемая зависимость времени задержки
фильтра от частоты для случая частотной модуляции импульсов передатчика. Время
задержки фильтра изменяется прямопропорционально генерируемой частоте. В
результате передний фронт импульса, имеющий частоту fи макс,
задерживается на tзад.макс, а задний на tзад.мин.
Таким образом, происходит сжатие на величину Dt = tзад.макс - tзад.мин. Полагая, что потери в фильтре
отсутствуют, получаем прежнюю энергию в импульсе:
tи2 Рмакс2
= tи1 Рмакс (4)
Максимальная мощность «сжатого» импульса возрастает в tи1/tи2 раз. Форма импульса на выходе фильтра отличается от прямоугольной.
Дальнейшее повышение чувствительности приемника достигается
применением новых типов низкошумящих усилителей (параметрических, которые имеют
коэффициент шума Кш = 0,4 - 3 дБ, а при охлаждении до температуры жидкого азота еще более
низкий).
2. Структурная схема радиолокатора
Исходя из описанных выше задач локации созданы различные схемы РЛС. Работу типового импульсного РЛ (в передатчике которого применен магнетронный генератор) можно рассмотреть на примере схемы, приведенной на рис. 11:
· синхронизатор - генерирует последовательность времязадающих
импульсов с частотой, равной частоте повторения импульсов. Эти импульсы
включают модулятор и начало развертки индикатора;
Рис. 11
· модулятор - управляет мощным генератором - передатчиком, который вырабатывает прямоугольный видеоимпульс, включающий магнетрон на время, равное его длительности tи;
· передатчик - это может быть магнетрон либо другой активный прибор, способный генерировать синусоидальные колебания требуемой частоты и амплитуды, причем вырабатываемый СВЧ-радиоимпульс (на каждый сигнал модулятора) должен иметь достаточную крутизну фронтов и длительность задаваемую модулятором. Для типового РЛ, предназначенного для обнаружения обычного самолета на дальности 200 - 400 км, характерны типовые мощности 1 - 10 МВт, длительность импульса несколько микросекунд и частота повторения импульсов - несколько сот импульсов в секунду fп.
Модулированный СВЧ-радиоимпульс, генерируемый передатчиком, канализируется по передающему тракту к антенне, которая излучает его в пространство. Обычно, как было отмечено ранее, для передачи и приема применяется общая антенна. На время передачи приемник отключается с помощью быстродействующего переключателя (для предотвращения повреждения большой мощностью). После излучения зондирующего импульса переключатель защиты приемника снова присоединяет приемник к антенне.
Во время приема переключатель блокировки передатчика, не оказывающий влияния на передачу сигнала от передатчика к антенне в течение передающей части рабочего цикла станции, обеспечивает канализацию принятого сигнала к приемнику. При отсутствии переключателя блокировки передатчика часть принятой мощности рассеивалась бы в передатчике и будет потерянной. Переключатели защиты приемника и передатчика вместе образуют антенный переключатель. В РЛС с раздельными антеннами он может отсутствовать.
РЛ-приемник обычно супергетеродинный. В качестве УВЧ, являющегося первым каскадом приемника, может служить малошумящий параметрический усилитель. В РЛС сантиметрового диапазона УВЧ обычно отсутствует, а вместо него стоит смеситель. С помощью смесителя и гетеродина СВЧ-сигнал преобразуется в сигнал ПЧ, так как в этом диапазоне легче сконструировать узкополосный усилитель с высоким коэффициентом усиления. В типовом усилителе ПЧ средняя промежуточная частота обычно составляет 30 или 60 МГц, а ширина полосы пропускания 1 или 2 МГц. Огибающая импульсной модуляции СВЧ-колебаний выделяется детектором и усиливается видеоусилителем до уровня, необходимого для работы индикатора (ЭЛТ). В индикаторный блок подаются также синхронизирующие импульсы.
Определяя направление антенны, можно получить информацию об угловых координатах цели, что позволяет разместить отраженный сигнал на экране ЭЛТ должным образом и определить координаты цели.
Графики, поясняющие импульсный метод работы РЛС, имеют вид,
приведенный на рис. 12.
Рис. 12
В зависимости от назначения РЛС или РНС применяются различные
типы индикаторов и виды разверток. В одномерных индикаторах дальности чаще
всего применяются линейная (горизонтальная, вертикальная либо логарифмическая
рис. 13, а) или кольцевая развертки, реже спиральная (рис. 13, б).
б
Рис. 13
В одномерных индикаторах обычно используется амплитудная отметка цели, которая позволяет судить не только о моменте прихода отраженного сигнала (т.е. о расстоянии до цели), но и об интенсивности отраженного сигнала и его форме.
В двухмерных индикаторах «дальность - угол» (азимут или угол
места) луч перемещается одновременно в двух взаимно перпендикулярных
направлениях (рис. 14).
Рис. 14
Перемещение луча в одном направлении является функцией времени и используется для определения дальности. Перемещение луча в другом направлении характеризуется изменением угловой координаты. Применяются две распространенные системы координат для определения положения точки на плоскости: полярная и прямоугольная. Для определения положения цели на экране плоского индикатора применяются соответственно два типа развертки: радиальная - круговая и прямоугольная растровая.
Радиально-круговая развертка используется в индикаторах кругового обзора для одновременного определения дальности и азимута цели (вращение линии развертки синхронизируется с поворотом антенны по азимуту). За один оборот антенны линия развертки образует на экране круг. Электронный луч, перемещающийся вдоль линии развертки (от центра к периферии), последовательно обегает все точки поверхности экрана.
Сочетание устройств отображения информации с устройствами обработки привело к созданию знаковых индикаторов (рис. 15), на которых изображение целей на местности осуществляется не яркостными отметками, а миниатюрной буквенно-цифровой матрицей, содержащей извлеченную информацию о свойствах цели и расположенной в соответствующих местах экрана.
Задачей упомянутых устройств обработки информации является
получение наиболее точных и достоверных оценок информационных параметров
выходных сигналов приемного устройства в условиях присутствия помех.
Рис. 15
Различают разомкнутые и замкнутые устройства обработки информации.
Разомкнутые - применяются для одновременной обработки информации, содержащейся во многих сигналах, например информации о многих целях, полученной с помощью РЛС, ведущей обзор пространства, или информации о многих величинах, передаваемой с помощью радиотелеметрических линий.
Замкнутые - применяются для непрерывного измерения (оценки) текущего значения информационного параметра, когда он является функцией времени, например для автоматического слежения за координатой движущейся цели, которое осуществляется аналоговым следящим приводом, иногда довольно мощным (например, при слежении за угловой координатой цели путем соответствующего поворота оси антенны).
Различают, кроме того, первичную и вторичную обработку радиолокационной информации.
Задачей первичной обработки является определение текущих значений координат целей, для чего в устройстве первичной обработки производится обнаружение сигнала на фоне помех и оценка значений его информационных параметров.
Вторичная обработка информации позволяет оценить параметры движения цели (составляющие скорости) и, производя соответствующую фильтрацию входного случайного процесса (которым является зависящая от времени смесь сигнала с шумом), определить траекторию и экстраполировать ее положение в следующие моменты времени.
Блок-схема, приведенная на рис. 11, представляет собой простейший вариант РЛС, где отсутствуют: устройства автоматической регулировки приемника при перестройке передатчика (АПЧ), схемы АРУ, схемы, уменьшающие влияние соседних РЛС или паразитных сигналов, схемы выделения движущихся целей и неподвижных объектов (СДЦ - селекторы движения целей) и устройства, обеспечивающие автоматическое сопровождение антенной движущейся цели.
Применяемые в РЛС и РНС СВЧ-диапазона остронаправленные, чаще всего зеркальные, рупорные, линзовые антенны или ФАР, представляют собой сложную и точную механическую конструкцию. Сканирование диаграммы направленности осуществляется за счет механического движения всей антенны, облучения части зеркала или линзы либо электронным управлением фазой (ФАР).
Расстояние до цели, или дальность (расстояние и дальность в РЛ используются как термины-синонимы, хотя в артиллерии дальность - это горизонтальная проекция расстояния) могут иметь различный смысл. Когда речь идет о воздушных целях, иногда используют термин «наклонная дальность» для определения расстояния от РЛС до цели (термин «горизонтальная дальность» обозначает проекцию наклонной дальности на поверхность Земли), последняя определяется измерением времени прохождения импульса от цели и обратно.