Математические модели радиолокационных визиров

Рассмотрим математические модели радиолокационных визиров, используемые при исследовании точности систем телеуправления.

Если для измерения угловых координат и дальности используются РЛС с электромеханическим приводом, то их выходные устройства рассматривают как автоматические следящие системы. В этом случае радиовизир представляют в виде замкнутой автоматической системы, состоящей из антенны, приемника и блока управления.

На рис. 2.11 показана блок-схема устройства измерения угла места, основанного на совмещении оси равносигнальной зоны антенны с направлением на объект. Здесь - угол поворота антенны в вертикальной плоскости, который измеряется датчиком угла места.

С выхода радиоприемного устройства на вход блока управления поступает сигнал отклонения оси равносигнальной зоны от направления на визируемый объект и вырабатывается сигнал на изменение положения диаграммы направленности антенны. Текущее значение угла оси равносигнальной зоны антенны является в такой схеме приборным значением истинного угла направления на цель.

В таком случае динамические свойства радиотехнических дальномерных и угломерных визиров зависят, главным образом, от динамических свойств этих следящих систем, являющихся самой инерциальной частью измерительного комплекса. Детальное исследование следящей системы углового сопровождения приводит к уравнениям высокого порядка [16]. Однако анализ таких систем показывает, что с достаточной степенью точности динамические свойства следящих систем с электромеханическим приводом можно описать линейной системой дифференциальных уравнений.

Например, в работе [7] для угломерного следящего устройства приводится следующая передаточная функция разомкнутого контура:

                    (2.15)

где k - коэффициент усиления дискриминатора;

T₁, T₂- постоянные времени интегро-дифференцирующего фильтра;

T_ck - период обновления информации (сканирования антенны).

В замкнутом состоянии контур измерения угловой координаты может быть аппроксимирован колебательным звеном.

При действии значительных помех ошибки визирования уже нельзя считать малыми и антенно - приемное устройство перестает быть линейным.

Вследствие увеличения ошибок сопровождения блок управления также может работать в нелинейном режиме, и при его описании приходится учитывать ограничения мощности и скорости приводов.

Для измерения по дальности можно использовать аналогичные модели.

Информация от РЛС поступает в дискретные моменты времени. Эту дискретность часто можно не учитывать, если частота поступления этой информации достаточна, велика по сравнению с эффективной полосой пропускания контура телеуправления. Исключением являются случаи, когда дискретность связана с использованием радиовизиров кругового обзора, когда поступление информации происходит дискретно с большим периодом. Подобные случаи исследуются методами теории дискретных систем [21].

При использовании в контуре управления многофункциональной РЛС с фазированной антенной решеткой инерционность измерительного устройства обычно не учитывается.

Характерной особенностью радиолокационных визиров является шум в выходных сигналах.

Основными источниками ошибок угломерных радиолокационных систем являются: внутренний шум радиоприемного устройства, амплитудные, угловые и поляризационные флуктуации сигнала, отраженного от цели, отражения от земли и помехи, создаваемые целью [2].

В системах визирования наводящегося ЛА флюктуации отраженного сигнала могут быть исключены с помощью приемопередатчика (“ответчика”), установленного на ЛА.

При отсутствии организованных помех антенно-приемное устройство осуществляет линейное безынерционное преобразование входного сигнала. В этом случае сигнал на выходе приемника  может быть представлен в виде [2] (см. рис.2.11)

где  - коэффициент усиления приемного тракта, состоящий из регулярной  и случайной  составляющих;

 - отклонение оси равносигнальной зоны от истинного направления ;

- аддитивная составляющая ошибок сопровождения, статистически независимая от  и .

При малых ошибках сопровождения , вызываемая амплитудными флюктуациями отраженного сигнала, мала, а  может приниматься в виде нормального некоррелированного шума.

При действии значительных помех ошибки визирования уже нельзя считать малыми и антенно-приемное устройство перестает быть линейным. В этом случае сигнал на выходе приемника можно представить в виде

где  - математическое ожидание выходного сигнала, нелинейно зависящее от ;

 - помеха, также нелинейно зависящая от .

Вид функций  и  зависит от применяемого типа помехи и устройства визирования [6].

При малом уровне флюктуаций сигнал на выходе радиолокационного дальномера можно представить в виде  где  - аддитивная ошибка с широкополосным спектром.

Оптические визиры

Цель может освещаться Солнцем, прожектором или лазером. Падающие на поверхность цели лучи отражаются от каждого элемента под углом, равным углу падения.

При сложной конфигурации элементов цели отражение происходит в различных направлениях, что позволяет наблюдать отраженные световые сигналы в различных точках наблюдения.

Световое излучение занимает диапазон электромагнитных волн от 0,36 до 0,75 мкм. Световая волна распространяется со скоростью с = 3 10 м/с.

Распространяющееся световое излучение создает фон, освещая облака и другие предметы. Видимый контраст цели обусловлен тем, что цель обладает большей способностью отражать световые волны, чем окружающая ее атмосфера. Чем больший контраст имеет цель, тем стабильнее поступающий от нее поток энергии и лучше условия определения параметров.

При прохождении через атмосферу часть энергии световых волн теряется в результате рассеивания и поглощения, что снижает дальность обнаружения и сопровождения цели.

Рассеивание в атмосфере зависит от влаги и пыли. Значительное рассеивание создают туманы и дымки. Поглощение происходит в основном парами воды, углекислым газом и озоном, причем с увеличением их концентрации величина поглощения растет.

Для извлечения информации о параметрах движения цели в диапазоне световых волн применяют оптические визиры и координаторы. Обычно это следящие устройства, обеспечивающие непрерывное сопровождение цели и определение ее угловых координат.

Кроме светового излучения ЛА являются источниками теплового излучения.

Лучистая энергия излучается в диапазоне инфракрасных волн от 0,76 до 750 (1000) мкм.

Излучательная способность определяется типом ЛА и излучение может иметь различную длину волны в виде узких полос спектра при длинах волн 1,3; 1,9; 2,7; 3,5; 4,3 мкм.

Атмосфера по-разному поглощает инфракрасное излучение (ИК-излучение) в зависимости от длины волны. Атмосфера имеет окна пропускания ИК-излучения в зависимости от длины волны.

Рабочий диапазон волн ИК-излучения следует выбирать с учетом окон пропускания атмосферы и спектра излучения цели.

Оптические и телевизионно-оптические визиры сравнительно просты по устройству и надежны в работе, они не подвержены воздействию радиопомех, имеют высокую разрешающую способность и позволяют непосредственно отображать сами наблюдаемые объекты, а не отметки от них, как в радиолокационных визирах. Такие визиры находят применение в ряде зенитных комплексов (Рапира”, “Иджес” и др.) и иногда дублируют радиолокационные визиры.

Визиры могут быть световыми (l= 0,4 - 0,76 мкм) и инфракрасными (l= 0,76 - 1 мкм).

Оптические визиры (ОВ) делятся на пассивные, активные и полуактивные в зависимости от места расположения источника излучения.

В пассивных ОВ наблюдение за целью осуществляется в окуляр или на телевизионном экране.

В активных ОВ определение местоположения ЛА осуществляется по энергии специального источника излучения (трассера), установленного на борту ЛА.

В полуактивных визирах для подсветки цели используют оптический квантовый генератор (лазер), поэтому полуактивный ОВ называют лазерным визиром.

При автоматическом сопровождении цели определяется сигнал, пропорциональный отклонению цели от оптической оси визира, на основании которого в дальнейшем формируются команды управления ЛА.

В оптически - телевизионных визирах отметка на экране видеоконтрольного устройства совмещается с изображением цели. В этом случае оптическая ось визира будет направлена на цель, что позволяет определить углы азимута и места цели.

Рассмотрим принцип работы телевизионного оптического визира (рис.2.12). Допустим, что изображение объекта на экране индикатора смещено на величину  по горизонтали и на величину по вертикали .

Если фокусное расстояние объектива равно F, то смещение изображения на расстояние  будет означать, что наблюдаемый объект смещен в вертикальной плоскости относительно продольной оси индикатора на угол e, который можно найти из условия

Аналогично можно определить и смещение по азимуту  (при малых углах e и c).

Телевизионно - оптическая система стремится к тому, чтобы  и  были равны нулю, тогда оптическая ось визира будет направлена на цель. Телевизионно - оптические визиры могут измерять только углы .

Лазерные визиры могут измерять не только углы, но и дальность до цели и, кроме того, обладают избирательностью, то есть могут выделять полезный сигнал на фоне других излучений.

От радиолокационных визиров лазерные отличаются высокой разрешающей способностью по угловым координатам при сравнительно малых размерах антенной системы, практически не подвержены влиянию отражений от местных предметов, обеспечивают высокую скрытность работы.

Но лазерные визиры имеют ряд недостатков. Одним из них является зависимость дальности действия от погодных условий (туман, дождь, снег). Другим недостатком является необходимость выдачи точного целеуказания (предварительное наведение луча лазера на цель), при котором обеспечивается быстрое обнаружение и автоматическое сопровождение цели. В связи с этим лазерные визиры работают обычно совместно с радиолокационными.

По своей структуре, принципам построения и выполнимым функциям лазерные визиры почти полностью аналогичны радиолокационным. Лазерный визир позволяет определять угловые координаты, дальность и скорость цели.

На рис. 2.13 приведена структурная схема лазерного визира цели (RBS - 70) [7].

В качестве источника оптического сигнала используется лазерный передатчик, запуск которого осуществляется импульсным синхронизатором. Световой сигнал лазера, пройдя систему зеркал телескопа (антенны), излучается в пространство, отражается от цели и принимается телескопом, при этом узкополосный фильтр, стоящий на пути отраженного импульса, уменьшает воздействие посторонних источников света на работу визира. Далее отраженные световые импульсы попадают на светочувствительный приемник, преобразуются в сигналы видеочастоты и используются как в блоке измерения углов, так и в блоке измерения дальности.

Измерение углов осуществляется в результате непрерывного совмещения оптической оси телескопа с направлением на цель.

Если передатчик работает в импульсном режиме, то в блоке измерения дальности до цели по времени задержки отраженного от цели импульса относительно зондирующего определяется дальность до цели.