Дальность, как параметр движения цели
В задачах ПВО после обнаружения и опознавания цели стоит задача об определении параметров цели. В зависимости от ее решения зенитной управляемой ракете будет выдано соответствующее полетное задание и его корректировка во время следования ракеты к цели. Существуют несколько принятых в радиолокации систем координат. В зависимости от выбора системы координат, будут ставиться задачи об определении тех или иных параметров цели. Например, в земной сферической системе координат параметрами движения являются азимут, угол места, и дальность цели. Здесь дальность цели – это расстояние от РЛС до самой цели. В данной работе коснемся вопроса об измерении дальности. Рассмотрим, какие же на сегодня используются методы для ее определения в РЛС, а так же сущность этих методов.
Методы измерения дальности
Импульсный метод
D
отраженный
прямой
?
Импульсный метод измерения дальности основывается на определении времени запаздывания характерного изменения амплитуды принимаемого радиолокационного сигнала. Антенна РЛС посылает мощный радиоимпульс, который отражается от цели и ей же и принимается. Т.к. скорость распространения СВЧ сигнала, в виде которого распространяется радиоимпульс, много больше скорости цели, то в хорошем приближении цель можно считать неподвижной. Тогда время, за которое радиосигнал достигнет цели – EMBED Equation.3 равняется времени, за которое отраженный сигнал достигнет антенны РЛС – EMBED Equation.3 . Т.е.
EMBED Equation.3
Т.о. сигнал испущенный антенной РЛС вернется на нее в отраженном виде через время EMBED Equation.3 . СВЧ сигналы распространяются с постоянной скоростью, поэтому EMBED Equation.3 . Мы учли, что скорость распространения СВЧ сигнала в воздухе примерно равна его скорости распространения в вакууме - EMBED Equation.3 . Учтем предыдущее выражение, и запишем равенство, определяющее дальность EMBED Equation.3 в зависимости от времени запаздывания EMBED Equation.3 :
EMBED Equation.3 (1.1)
Для того, чтобы постоянно определять дальность, РЛС должна испускать периодическую последовательность импульсов, – работать в импульсном режиме. Проанализированных данных достаточно, чтобы построить общую структурную схему.
Система
синхронизации
Передатчик
Антенный
переключатель
Приемник
оконечное устройство
Система синхронизации определяет импульсную работу РЛС. Она формирует видеоимпульсы через постоянные промежутки времени Ти. Ти называют периодом повторения импульса. Т.о. система синхронизации определяет период работы – один цикл определения дальности.
Передатчик включается получив очередной импульс от системы синхронизации и на промежутке времени EMBED Equation.3 формирует сигнал требуемой мощности, амплитуды и частоты. EMBED Equation.3 называют длительностью импульса.
На протяжении времени длительности импульса антенный переключатель направляет излучаемый сигнал на антенну. Затем переключается на приемник. Т.о. образом до конца периода система “ждет” отраженного сигнала. Заметим, что на переключение антенна затрачивает определенное время EMBED Equation.3 .
Приемник выделяет огибающую принятого сигнала и передает на оконечное устройство.
Оконечное устройство обычно выполняется в виде ЭЛТ, на экране которой расстояние между двумя соседними разновысокими пиками соответствует расстоянию до цели. В случае выполнения оконечного устройства на ЭЛТ, система синхронизации управляет работой генератора пилообразного напряжения, который выходит на горизонтально отклоняющую пластину. В то время как сигнал с приемника подается на вертикально отклоняющую.
Схематические графики зависимостей EMBED Equation.3 на разных структурных элементах будут выглядеть следующим образом:
Система синхронизации.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
U
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
U
Передатчик
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
U
t
Приемник
Из равенства (1.1) следует, что tD ?D. Т.о. выведя последний график на систему индикации (оконечное устройство), и соответствующим об разом проградуировав шкалу, будем иметь непосредственно значение дальности до цели.
Достоинства импульсного метода измерения дальности:
возможность построения РЛС с одной антенной;
простота индикаторного устройства;
удобство измерения дальности нескольких целей;
простота излучаемых импульсов, длящихся очень малое время EMBED Equation.3 , и принимаемых сигналов;
Недостатки:
Необходимость использования больших импульсных мощностей передатчика;
невозможность измерения малых дальностей
большая мертвая зона
Характеристика недостатков содержится в основных показателях импульсного метода измерения дальности:
Минимальная дальность действия (мертвая зона) импульсной РЛС:
EMBED Equation.3 (1.2),
где EMBED Equation.3 - время, затрачиваемое на переключение антенны.
Действительно, пока антенна излучает, система не может принимать сигнал.
Предел однозначного отсчета дальности:
EMBED Equation.3 (1.3)
Действительно, система “ждет” отраженного сигнала только до наступления момента излучения нового сигнала.
Потенциальная разрешающая способность по дальности:
EMBED Equation.3 (1.4)
Действительно, чтобы был скачок напряжения, соответствующий сигналу, отраженному от цели, сначала должен быть спад напряжения. Т.е. две цели можно различить лишь в случае, когда расстояние между ними EMBED Equation.3 .
Параметры излучения подбираются по полученным формулам таким способом, чтобы вышеописанные показатели были приемлемыми.
Частотный метод
Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов.
В данном методе за период излучается частота, меняющаяся по линейному закону от EMBED Equation.3 до EMBED Equation.3 . Т.е. за один период зависимость частоты излучаемого сигнала от времени:
EMBED Equation.3 (2.1)
В то время как отраженный сигнал придет промодулированным линейно в момент времени предшествующий настоящему на время задержки EMBED Equation.3 . Т.о. частота отраженного сигнала, принятого на РЛС, будет зависеть от времени следующим образом:
EMBED Equation.3 (2.2)
Вычитая из (2.1) (2.2), получим выражение для разностной частоты EMBED Equation.3 :
EMBED Equation.3 (2.3)
Выражая отсюда EMBED Equation.3 , и подставляя в (1.1), найдем зависимость дальности от разностной частоты:
?
?о
EMBED Equation.3 (2.4)
t
??
?о+??
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
t
Из графиков видно как определить время запаздывания – по резкой перемене в частоте разностного сигнала. Очевидно также, что в формулу (2.4) надо подставлять значение разностной частоты, полученное на промежутке времени ( tD ; Tи ).
Структурная схема частотного дальномера будет выглядеть следующим образом:
смеситель
индикатор 1
индикатор 1
принимающая антенна
модулятор
генератор СВЧ
передающая антенна
индикатор n
индикатор n
Модулятор формирует модуляцию частоты, вырабатываемой генератором СВЧ. После чего сигнал поступает на передающую антенну. Т.к. сигнал непрерывный, то требуется еще и отдельная принимающая антенна.
На приемник поступают прямой и отраженный сигналы, из которых на смесителе выделяется их разностная частота, значение которой после фильтровки передается на систему индикации.
Достоинства частотного метода измерения дальности:
позволяет измерять очень малые дальности;
используется маломощный передатчик;
Недостатки:
необходимо использование двух антенн;
ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика, подверженного случайным изменениям;
высокие требования к линейности изменения частоты
Фазовый метод
Фазовый метод измерения дальности основан на измерении разности фаз излученных и принятых радиосигналов.
усилитель,
ограничитель
измеритель выходного напряжения
принимающая антенна
фазовый детектор
генератор ВЧ
передающая антенна
Структурная схема простейшого фазового измерителя дальности выглядит следующим образом:
Генератор ВЧ создает колебания, которые через передающую антенну излучаются во внешнее пространство с соответствующей фазой:
EMBED Equation.3 (3.1),
где EMBED Equation.3 - начальное значение фазы.
На приемную антенну поступает отраженный сигнал со значением фазы:
EMBED Equation.3 (3.2),
где EMBED Equation.3 - фазовый сдвиг при отражении, EMBED Equation.3 - фазовый сдвиг в цепях РЛС, - эта величина постоянна и ее можно подсчитать экспериментально.
Принятый сигнал усиливается и его фаза вместе с фазой первоначального сигнала, детектируемой на фазовом детекторе, поступает на измеритель выходного напряжения.
Т.е. на измеритель выходного напряжения придет сигнал с разностной фазой, полученной при вычитании из (3.1) (3.2):
EMBED Equation.3 (3.3)
Учтем, что EMBED Equation.3 . Тогда согласно выражению (1.1) (3.3) запишется в виде:
EMBED Equation.3 (3.4)
Большой недостаток в том, что здесь неизвестен фазовый сдвиг отраженного сигнала, который может меняться как угодно, причем существенным способом.
Поскольку EMBED Equation.3 , то из (3.4) следует однозначный диапазон измерения дальности:
EMBED Equation.3 (3.5)
Т.к. используются ультракороткие волны, то однозначный диапазон измерения дальности порядка единиц метра.
Поэтому на практике используют более сложные схемы, в которых присутствует две и больше частот.
Приведем пример двухчастотного фазового дальномера. Его структурную схему изобразим следующим образом:
детектор
усилитель
принимающая антенна
генератор ВЧ
передающая антенна
измеритель выходного напряжения
фазовый детектор
модулятор
?
Здесь частота ? определяет фазовые сдвиги, а EMBED Equation.3 играет роль переносчика информации.
На модуляторе формируется напряжение:
EMBED Equation.3 (3.6)
которое подается на генератор ВЧ, т.о. что напряжение на выходе генератора:
EMBED Equation.3 (3.7),
где EMBED Equation.3 - коэффициент модуляции.
Принятые сигналы после усиления детектируются, выделяется их огибающая, фаза которой сравнивается с фазой колебаний модулятора.
EMBED Equation.3 (3.8)
EMBED Equation.3 (3.9)
откуда получаем зависимость дальности от разности фаз:
EMBED Equation.3 (3.10)
Теперь при ? = 1000 с-1, EMBED Equation.3 км.
Достоинства фазового метода измерения дальности:
маломощное излучение, т.к. генерируются незатухающие колебания;
точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения;
достаточно простое устройство
Недостатки:
отсутствие разрешения по дальности
ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика, подверженного случайным изменениям;
Заключение
В данной работе был приведен обзор основных методов измерения дальности в РЛС ЗРК. Описана их сущность. Как видим, у каждого метода есть свои недостатки и свои преимущества. Для улучшения показателей, характеризующих измерение дальности, используют более сложные схемы, ЛЧМ сигналы. При наличии нескольких станций слежения можно получить значение дальности расчетным путем. В общем, можно сделать заключительный вывод.
Выбор того или иного метода в основе определения такого параметра цели как дальность, зависит от возможных задач РЛС. Поэтому, например, различают РЛС ближнего и дальнего радиуса действия.