Моноимпульсные координаторы

4.1 Общие сведения о моноимпульсном методе измерения угловых координат

 

Моноимпульсный метод позволяет устранить ошибки в определении угловых координат возникающих за счет флюктуаций амплитуд сигнала. При этом методе используется сравнение амплитуды и фазы принимаемых одновременно сигналов с помощью многоканальной системы.

Дальность в моноимпульсных координаторах определяется как и в координаторах с коническим и линейным сканированием.

Основным отличием моноимпульсных координаторов является формирование равносигнальной зоны (РСЗ) неподвижными диаграммами направленности созданными антеннами моноимпульсных координаторов.

Зависимость сигналов принятых амплитудной и фазовой диаграммой направленности определяется формулой:

F_к(α)=  = F(α)  (4.1)

где,

F_к(α) – сигнал амплитудной ДН,

–сигнал фазовой ДН,

α –угол прихода радиоволн,

Е_к1(α) и Е_к2(0) –комплексная амплитуда сигнала принятого с направления α и максимума диаграммы направленности (α =0).

В зависимости от того какая из ДН используется при определении направления различают два основных вида моноимпульсных систем:

1) Система с амплитудной пеленгацией,

2) Система с фазовой пеленгацией.

Для осуществления амплитудной пеленгации в одной плоскости антенны моноимпульсных систем должны формировать две ДН развернутые друг относительно друга на угол 2Δα, где Δα –угол скоса (Рис.17)

 

 

Рис. 17

 

Характерной особенностью для сигнала принятого такой системой является неравенство амплитуд сигналов Е₁ и Е₂, при этом фазы сигналов равны ν₁(ε) =ν₂(ε).

Для пеленгации сигнала в двух плоскостях β и ε создаются четыре ДН по две в каждой плоскости.

Для получения фазовой пеленгации антенна такой моноимпульсной системы должна формировать две ДН максимумы, которых направлены параллельно и разнесены в пространстве на величину базы S (Рис.18).

Тогда при приеме сигнала появляется разность «схода» Ssinε, а запаздывание во времени δt= , в данном случае разность фаз определяется из формулы:

φ(ε)= ν₁(ε)-ν₂(ε)= ω_о δt=  δt=  =  Ssinε (4.2)

 

амплитуды сигналов при этом будут практически равны.

Рис. 18

 

Для фазового пеленгатора для измерения углов в 2-х плоскостях должны быть созданы 4-е ДН, при помощи четырех рефлекторов расположенных симметрично относительно оси антенны.

 

4.2 Постулаты моноимпульсного метода

 

Моноимпульсный метод определения координат базируется на трех постулатах, определяющих преимущества этого способа.

1) Угловая информация извлекается в виде отношения сигналов принятых различными ДН моноимпульсных антенн (Рис 19).

 

Рис. 19

a) Простое отношение (мультипликативное):

b)

r_m (ε)=  = =  (4.3)

б) суммарно-разностное отношение (∑-Δ) (аддитивное):

 

r_a (ε)=  =  =  =  , (4.4)

 

 где

E_K1(ε) и E_K2(ε) –комплексная амплитуда сигнала принятая I и II антенной с направления ε.

E_{K Δ}(ε) –комплексная амплитуда разностного сигнала, состоящего из сигнала E_K1 и E_K2 и является не четной симметричной функцией угла ε.

E_{K ∑} (ε) –комплексная амплитуда суммарного сигнала E_K1 и E_K2, который является четной функцией угла прихода сигнала.

F_{K Δ}(ε) –комплексная разностная ДН.

F_{K ∑}(ε) –комплексная суммарная ДН.

r_a (ε) и r_m (ε) являются функциями только угла прихода волны и не зависят от абсолютного уровня принятого сигнала.

2) Измеряемое отношение принятых сигналов, при переходе от положительного угла к равному отрицательному меняется на обратное. Это требование верно относительно симметричных ДН моноимпульсной антенны.

3) Пеленгационная характеристика моноимпульсной системы является не четной действительной функцией угла прихода ε (Рис 20).

 

Рис. 20

Это означает, что пеленгационная характеристика должна указывать как на величину так и на знак угла прихода волны, то есть обладает не четной симметрией.

 

4.3.Преимкщества и недостатки моноимпульсного метода.

 

Преимущества:

1) Так как угловая информация выделяется в виде отношений сигналов, то точность измерения не зависит от амплитуды флюктуаций отраженных сигналов.

2) Выделение отношений принимаемых сигналов происходит в течении действия каждого импульса, то сесть информация о трех координатах извлекается при получении одного импульса от цели, а не за счет накопления информации от пачки импульсов.

3) Моноимпульсные координаторы защищены от угловых ответных помех, а также от непрерывных шумовых помех (за счет изменения амплитуды сигнала от импульса к импульсу).

4) В моноимпульсных системах отсутствуют методические ошибки по сравнению с координаторами линейного и конического сканирования. Кроме этого отношение принимаемых сигналов не зависит то скорости распространения радиоволн.

5) Дальность действия моноимпульсных координаторов превышает аналогичные по параметрам координаторы с линейным и коническим сканированием, за счет того, что линия излучения электромагнитной энергии совпадает с РСН антенн при приеме сигналов.

Недостатки:

1) Трудность создания симметрии при формировании суммарной и суммарно-разностных ДН.

2) Сложность обеспечения идентичности приема амплитудных и фазовых характеристик приемных систем

4.4 Построение моноимпульсного координатора для пеленгования в двух плоскостях

 

Моноимпульсные координаторы могут быть:

1) Трехканальные с четырьмя ДН.

2) Двухканальные с четырьмя ДН.

3) Двухканальные с двумя ДН.

Трехканальные моноимпульсные координаторы с четырьмя ДН для пеленгации в двух плоскостях (по азимуту и углу места) используют четыре ДН (Рис. 21).

Для определения азимута берется соотношение сигналов левых и правых ДН (ad и bc). Для определения угла места используется соотношение верхней и нижней пары ДН(ab и dc).

Для преобразования информации в суммарную и разностную используют четыре кольцевых моста (Рис.22).

 

Рис. 21

Излучение электромагнитной энергии осуществляется через все четыре ДН. Логика образования суммарного и разностного сигнала следующая:

- суммарный сигнал ∑ = a+b+c+d

- разностный Δε = (c+d)-(a+b) и Δβ = (a+d)-(b+c).

Рис. 22

 

Третий разностный сигнал, по диагонали (a+c)-(b+d) не используется и компенсируется нагрузкой.

Суммарный и разностный сигналы подаются на трехканальный суммарно-разностный угловой дискриминатор.

Двухканальные моноимпульсные координаторы с четырьмя ДН используют принцип сложения 2-х разностных каналов (Δε и Δβ) со сдвигом фазы одного из них на 90º. Такой сдвиг можно получить пропустив один из разностных каналов через дополнительную секцию, тем самым обеспечив больший путь прохождения разностного сигнала.

После общего усиления разностных сигналов в фазовых детекторах углового дискриминатора осуществляется разделение этих сигналов по плоскостям за счет того, что к одному из фазовых детекторов подается в фазе (Δβ) (Рис.23), а ко второму в противофазе со сдвигом на 90º (Δε).

 

Рис. 23

Недостатками такой системы является:

-жесткие требования к идентичности характеристик усилителей каналов

-при наличии паразитного сдвига между суммарным и общим разностным каналом, в каналах образуются паразитные сигналы (пролазы).

Двухканальные моноимпульсные координаторы с двумя ДН используют принцип поочередной запитки вращающимся волноводом или петлей связи соответствующей пары антенн с частотой вращения ГОН. Причем в одном из принятых разностных сигналов, для дальнейшей обработки, используют дополнительный сдвиг фазы на 90º.

 

4.5 Особенности построения помехозащищенных моноимпульсных координаторов

 

В большинстве случаев работа РЛС сопровождения осуществляется в сложной помеховой обстановке и прежде всего в условиях сильных пассивных помех. В этом случае для защиты используется режим СДЦ. Но в этом случае при обработке сигналов теряется информация об угловом положении цели.

Поэтому, возникает необходимость, для сохранения информации об угловом положении цели содержащуюся в амплитуде и фазе высокочастотного сигнала использовать амплитуду и фазу низкочастотной огибающей последовательности импульсов, которые на разрушаются при обработке в режиме СДЦ.

В этом случае моноимпульсные координаторы теряют одно из своих преимуществ – способность определения угловых координат по одному импульсу и приобретают свойства системы с интегральной равносигнальной зоной.

Для того, чтобы моноимпульсный координатор сохранил свое свойство – независимость от абсолютной амплитуды принимаемого сигнала, мгновенную пространственную равносигнальную зону преобразуют в две противофазных интегральных РСЗ, аналогичных как в радиотехнических координаторах с коническим сканированием.

Эта система называется моноконической системой. В ее составе (Рис.24) антенна формирующая четырех лепестковую ДН, суммарно-разностный преобразователь, на выходе которого имеем три канала: Δβ, Δε и ∑. В дальнейшем происходит преобразование в 2-х канальную систему с одним разностным (Δcos(Ωt-φ)) и одним суммарным каналом (∑).

Общий разностный канал (Δcos(Ωt-φ)) получается при помощи круглого волновода, на который подаются два разностных сигнала (Δβ и Δε) в квадратуре:

 

Δ=  (4.5)

 

Интенсивность поля в круглом волноводе (Рис. 25) характеризует величину отклонения цели от РСН. Фаза поля характеризует знак или направление отклонения цели от РСН:

 

 (4.6)

Информация об угловом положении цели отбирается из круглого волновода при помощи модулятора, который вращается с угловой скоростью Ω.

Рис. 24

 

Характерным является то, что при переходе модулятором нулевого положения, фаза высокочастотного сигнала в нем меняется на противоположную. Нулевым положением считается положение, когда широкая стенка волновода совпадает с расположением электрических линий.

 

Рис. 25

 

Таким образом,на выходе модулятора образуются колебания (Рис. 26), которые можно описать выражением Δcos(Ωt-φ).

Рис. 26

 

При переходе через ноль фаза сигнала меняется. Суммарный и общий разностный сигнал подаются на сумматор в котором и формируются две противофазные интегральные зоны, которые можно записать в виде:

U₁(t) ≡∑+Δcos(Ωt-φ) = ∑(1+mcos(Ωt-φ)) 4.7)

 U₂(t) ≡∑-Δcos(Ωt-φ) =∑(1 - mcos(Ωt-φ)) (4.8)

Где m глубина модуляции и может быть выражена как:

m=  (4.9)

Таким образом, рассмотренная схема входного устройства (Рис. 24) угломера обеспечивает преобразование моноимпульсной информации об угловом положении цели в амплитуде и фазе высокочастотного сигнала в информацию содержащуюся в амплитуде и фазе низкочастотной огибающей сигналов.

4.6 Структурная схема РЛС сопровождения

 

Исходя из всего рассмотренного предлагается схема помехозащищенной, двухканальной моноимпульсной РЛС сопровождения (Рис. 27).

 

Рис. 27

 

Рассмотрим работу схемы РЛС сопровождения.

Непрерывный высококогерентный сигнал с генератора кварцевого ГК на частоте f₀-f_пч поступает на преобразователь частоты (смеситель с полосовым фильтром на частоте f₀), на второй вход которого поступают импульсы с генератора ПЧ с частотой заполнения f_пч. Длительность и период повторения задается синхронизатором.

Работа преобразователя основана на работе пролетного клистрона (Рис. 28).

Рис. 28

 

С выхода преобразователя частоты импульсы на частоте f₀ поступают на усилитель мощности, который открывается в соответствии с импульсами запуска передатчика ИЗП усиленными в модуляторе. Работа синхронизатора обеспечивает совпадение по времени открытие усилителя мощности импульсами ИЗП и импульсами с выхода преобразователя на частоте f₀.

Мощные высокочастотные импульсы с выхода УМ поступают на антенный переключатель выполненный на основе феритового цыркулятора и далее на вход суммарного канала облучателя.

При сопровождении формирование ДН осуществляется суммированием однолепестковой суммарной ДН и двух лепестковых разностных ДН (β и ε) формируемых на выходах трехканального облучателя.

Сигнал суммарного канала ∑ через антенный переключатель поступает на один из входов сумматора, выполненного на базе феритового коммутатора, а сигналы разностных каналов Δβ, Δε поступают на модулятор, приэтом сигнал угломестного разностного сигнала проходит дополнительно через секцию фазирования j. Работа модулятора и сумматора была описана выше (Рис. 24).

С выхода сумматора сигналы U₁(t) и U₂(t), по двум независимым каналам поступают на балансные смесители (СМ I, СМ II). Следует еще раз обратить внимание, что каждый из этих сигналов содержит информацию о величине отклонения цели от РСН и знаке отклонения. Таким образом, достаточным условием для обеспечения сопровождения цели является наличие хотя бы одного исправного канала. Но для обеспечения надежной помехозащищенности и прежде всего от уводящих по углу помех необходима исправная работа обеих каналов.

 

Рис.29

 

На второй вход смесителей подается непрерывная частота (f₀-f_пч) с ГК. Использование одного и того же генератора кварцевого в работе передатчика и приемника обеспечивает высокую когерентность сигнала.

 Смеситель является нелинейным элементом и служит для преобразования принятого сигнала в другой, более удобный для усиления и обеспечения хорошей избирательности.

Балансный смеситель представляет собой щелевой мост с СВЧ диодами парного подбора (Рис.29). Выход смесителя нагружен на входной контур многокаскадного УПЧ.

Каждый УПЧ охвачен своей мгновенной автоматической регулировкой усиления.

С выхода УПЧ сигнал с обеих каналов через амплитудные детекторы поступает на устройство сумарно разностной обработки (СРО), где выполняется следующее преобразование

 

U_вых =  (4.10)

Затем сигнал поступает на два фазовых детектора (ФД), причем каждый детектор запитывается соответствующим опорным напряжением поступающим с ГОН (U_опβ и U_опε).

Фазовым детектором (ФД) (Рис. 30)называется устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух сравниваемых напряжений одной частоты или очень близких частот.

 

Рис. 30

 

Напряжение на диоде VD1 равно U_vd1=U₁(t)+U_оп, а на диоде VD2 U_vd2= U₁(t) - U_оп

Напряжение на выходе ФД пропорционально разности модулей напряжений U₁(t) и U_оп:

 U вых ≈ │U₁(t) │ - │ U_оп │

Выходное напряжение зависит от разности фаз напряжений U₁(t) и U_оп.

Следовательно, если привязка фаз будет сделана к фазе опорного напряжения ГОН, то величина выходного напряжения будет соответствовать величине углового отклонения от РСН.

Выходное напряжение с выходов ФД (β и ε) поступает на соответствующий усилитель преобразователь (УП) следящей системы соответствующего канала и после усиления по мощности в виде напряже­ния U_упр.дв подается на стабилизирующий двигатель СД.

Исполнитель­ные двигатели каналов через редукторы управляют положением головки антенны одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В результате антенна при возникновении сигнала ошибки перемещается по азимуту и наклону до совмещения равносигнального направления с направлением на цель.

Информация о скорости перемещения антенны с датчиков угловых скоростей (ДУ), поступает в систему управления антенной в качестве сигналов обратной связи.

Таким образом, совместная работа всех элементов рассмотренной схемы РЛС сопровождения обеспечивает отслеживание положения антенны за положением цели.