Фазовые методы измерения угловых координат

Фазовые методы измерения угловых координат основаны на сравнении фаз отраженных от цели сигналов, принятых двумя разнесенными в пространстве приемными антеннами.

Допустим, что расстояние (база) между приемными антеннами, расположенными в точках А и В, равна d (рис.7.14).

Рис.7.14. Сущность фазового метода измерения угловых координат.

О

Разность фаз отраженных сигналов Δφ, принимаемых антеннами в точках А и В, связана с разностью хода зависимостью:

Δφ = ω∆t = 2πf = (D₁ – D₂) = ΔD,

где: ΔD – разность хода сигналов;

D₁ – расстояние между точками А и О.

D₂ – расстояние между точками В и О.

λ – длина волны РЛС.

Если цель находится на значительном расстоянии от РЛС (т.е. D₁» d и D₂» d), то можно считать, что прямые АО и ВО параллельны. Тогда углы, под которыми наблюдается цель из точек А и В, одинаковы.

Следовательно, разность хода отраженных сигналов:

ΔD = d sinα,

где: α – угол между нормалью к базе и направлением на цель.

Отсюда разность фаз сигналов:

Δφ = d sinα

Следовательно,

α = arcsin Δφ

Таким образом, если измерять разность фаз Δφ, то при заданной длине базы d и длине волны λ можно определять угловую координату цели. Для определения фазовым методом двух угловых координат необходимо иметь четыре приемные антенны или три приемные антенны, т.к. одна из двух пар антенн может быть общей для каналов азимута и угла места (рис.7.15).

Рис.7.15. Фазовый метод измерения двух угловых координат.

Фазовый метод определения угловых координат является моноимпульсным, т.к. он основан на одновременном приеме отраженных от цели сигналов. Поэтому аналитические зависимости, полученные для амплитудного метода одновременного сравнения, можно получить и для фазового метода.

При определении двух угловых координат цели φ_z и φ_y фазовым методом нормированная функция сигнала ошибки имеет вид

S_{so z}(t) ≈ β_ξ^’φ_z cos(ω₀t – γ),

S_{so y}(t) ≈ β_ξ^’φ_y cos(ω₀t – γ),

где: β_ξ^’ = πd/λ – фазовая пеленгационная чувствительность антенного устройства;

φ_Z, φ_y – угловые координаты цели в плоскости XOZ и XOY;

ω₀ – угловая частота принятых высокочастотных колебаний;

γ – фазовый сдвиг сигнала ошибки относительно фазы высокочастотных колебаний (принимает значение 0 или π в зависимости от направления отклонения цели в каждой плоскости).

Точность и разрешающая способность метода.

Точность фазового метода, как и при амплитудном методе одновременного сравнения, зависит от решаемой задачи (измерение одной или двух угловых координат), а разрешающая способность практически равна ширине ДН антенн по нулевым радиус-векторам Δθ₀ (табл.7.2). Аналитические выражения для расчета точности и разрешающей способности фазового метода в зависимости от решаемой задачи приведены в табл. 7.2.

Точность и разрешающая способность фазового метода. Таблица7.2.

Решаемая задача	Точность метода εξ	Разрешающая способность δφ
Измерение одной угловой координаты		2 arcsin ≈ Δθ0
Измерение двух угловых координат

Таким образом, при заданной длине волны λ с увеличением расстояния между приемными антеннами d точность фазового метода возрастает. Причем оптимального значения d, подобного (Θ₀) _opt при амплитудном сравнении, в данном случае не существует.

Поэтому выбор значения базы d производится обычно из соображений устранения неоднозначности измерений ∆φ, возникающей при условии, что (это непосредственно следует из выражения для определения разности фаз).

Для определения угловых координат фазовым методом применяют антенны направленного действия. При использовании ненаправленных антенн любые две цели, находящиеся на различных направлениях и дальностях, создадут в антеннах результирующий сигнал, соответствующий некоторой ложной цели, находящейся на ложном направлении.

Достоинство фазового метода:

- высокая точность измерения угловых координат.

Недостаток фазового метода:

- неоднозначность фазовых измерений.

Неоднозначность измерения угловых координат фазовым методом может быть устранена, если использовать несколько пар антенн с различными базами. Тогда измерение угловых координат производится поэтапно. На первом этапе выполняются измерения при небольшой длине базы между приемными антеннами, что позволяет получить однозначный, но недостаточно точный отсчет. При последующих измерениях используется большая длина базы, при которой достигается большая точность измерений фазовым методом, что позволяет уточнить полученное значение угловой координаты.

Другим возможным способом устранения неоднозначности фазовых измерений является применение комбинированных амплитудно-фазовых методов определения угловых координат. В этом случае амплитудным методом определяются приближенные значения угловых координат, а с помощью фазового метода измеряются их точные значения.

Контрольные вопросы.

Вопрос 1. Ширина ДН антенны по нулевым радиус-векторам Δθ₀ = 2⁰.

Определить:

Угловую разрешающую способность РЛС при использовании:

а). Метода максимума;

б). Метода минимума (угол отклонения максимума ДН от РСН Θ₀ = 0,9⁰)

Решение:

а). Угловая разрешающая способность метода максимума:

δφ = Δθ₀ = 2⁰;

б). Угловая разрешающая способность метода минимума:

δφ = Δθ₀ + 2Θ₀ = 2 + 2·0,9 = 3,8⁰.

Вывод: При измерении угловых координат методом максимума угловая разрешающая способность РЛС примерно в 2 раза выше, чем при использовании метода минимума.

Вопрос 2. Ширина диаграммы направленности антенны РЛС по нулевым радиус-векторам Δθ₀ = 2⁰.

Угол отклонения максимума ДН антенны от РСН Θ₀ = 0,6⁰.

Определить:

Угловую разрешающую способность РЛС при использовании:

а). Метода последовательного сравнения;

б). Метода амплитудного одновременного сравнения;

в). Метода фазового одновременного сравнения.

Решение:

а). Угловая разрешающая способность метода последовательного сравнения:

δφ = Δθ₀ + 2Θ₀ = 2 + 2·0,6 = 3,2⁰

б). Угловая разрешающая способность метода амплитудного одновременного сравнения:

δφ = Δθ₀ + Θ₀ ≈ 2 + 1,4·0,6 ≈ 2,8⁰

с). Угловая разрешающая способность метода фазового одновременного сравнения:

δφ ≈ Δθ₀ = 2⁰.

Вывод: Угловая разрешающая способность РЛС при использовании методов одновременного сравнения выше, чем при методе последовательного сравнения (особенно при методе фазового одновременного сравнения).