Временной метод измерения дальности

Как следует из названия, каждому значению дальности должно соответствовать одно и только одно значение времени . Если, в частности, пространственное положение измерительной радиосистемы характеризуется моментом времени , то расстояние до объекта будет соответствовать моменту времени .

Ранее отмечалось, что большинство радиолокационных систем работает в диапазоне сверхвысоких частот (30 МГц...300 ГГц). Поскольку длины волн 1..0 этих колебаний лежат всего лишь в пределах 10 м...1 мм, то измерение расстояний до реальных объектов с помощью непрерывного немодулированного колебания вида (1.1.1) временным методом оказывается невозможным. Поэтому на практике дальнометрию осуществляют иным способом – путем излучения и приема достаточно коротких импульсов.

Реализация импульсного метода дальнометрии состоит в том, что сначала измерительная радиосистема, установленная, например, на самолете (рис. 3.14, а), излучает в пространство короткий (длительности ) радиоимпульс (рис. 3.14, б).

Рис. 3.14. Временной метод измерения дальности: а – возможная реальная ситуация; б – эпюры радиоимпульсов, характеризующие данную ситуацию

Если в пределах диаграммы направленности оказывается какой-либо объект, то данный радиоимпульс отражается от него. Строго говоря, отражение от объекта происходит в разные стороны (характер этого отражения зависит от конфигурации и материала объекта), но в том числе – и в сторону самолетной измерительной радиосистемы. На рис. 3.14, а изображены два объекта, расположенные на разных дальностях и , а на рис. 3.14, б показаны радиоимпульсы, отраженные от этих объектов и поступившие на вход антенны. Каждый из этих радиоимпульсов смещен во времени относительно излученного радиоимпульса на соответствующие временные интервалы и , где

(3.16)

Коэффициент 2 в данных выражениях обусловлен тем, что радиосигнал проходит в пространстве путь двойной длины – от измерительной радиосистемы до объекта и обратно. Величины и , обычно называют временами запаздывания. Значения и измеряются на выходе радиоприемного устройства. По этим значениям вычисляются дальности и до объектов:

(3.17)

В принципе, дальность до объекта можно определить и по одному отраженному радиоимпульсу. Однако поскольку подавляющее большинство объектов являются движущимися, то перед измерительной радиосистемой обычно ставится задача воспроизвести динамику изменения дальности от рассматриваемой радиосистемы до объекта. Эту задачу можно решить путем излучения (и, разумеется, приема) радио импульсов в различные моменты времени.

Наиболее просто с технической точки зрения осуществляется режим не произвольного, а периодического (регулярного) излучения радиоимпульсов. При этом временной интервал между моментами излучения смежных радиоимпульсов называется периодом повторения . При дальнометрии обычно (например, мкс, = 1 мс).

Особенностью периодического режима излучения являются соблюдение требования однозначности дальнометрии, т.е. отраженный от объекта радиосигнал должен вернуться до момента излучения следующего радиоимпульса. Иными словами, должны выполняться соотношения:

(3.18)

Следуя логике выражений (3.2.12), можно записать:

, (3.19)

откуда

. (3.20)

Если, в частности, =1 мс, то =150 км.

Тогда неравенства (3.1.15) могут быть представлены в другой форме:

(3.21)

Соотношения (3.21) являются алгоритмическим отображением требования однозначности дальнометрии. Если же объект находится на таком расстоянии от измерительной радиосистемы, что условие (3.21) не выполняется, то измерительной радиосистеме необходимо перейти на режим работы с иным (увеличенным) периодом повторения.

Кроме задачи обеспечения однозначности, в импульсной дальнометрии существует проблема так называемого разрешения объектов по дальности.

Вернемся к рис. 3.14. Предположим, что объекты 1 и 2 начинают сближаться по дальности. В какой-то момент времени они приблизятся друг к другу настолько, что отраженные от них радиоимпульсы перекроются, образовав один протяженный радиоимпульс. В этом случае два близко расположенных объекта будут ошибочно восприняты измерительной радиосистемой как один объект, что расценивается как неразрешение радиосистемой данных объектов по дальности.

Для количественной оценки явления разрешения вводится понятие разрешающей способности по дальности . Считается, что граница разрешения (раздельного восприятия двух объектов) соответствует выполнению равенства

(3.22)

или, что то же,

(3.23)

Тогда разрешающая способность по дальности будет вычисляться из соотношения

(3.24)

Для случая мкс получим =150 м.

Из выражения (3.24) следует, что для улучшения разрешающей способности по дальности измерительная радиосистема должна использовать радиоимпульсы более короткой длительности.

Укрупненная структурная схема импульсной радиосистемы измерения дальности представлена на рис. 3.15. Работа ее осуществляется следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает укороченные импульсы запуска, следующие с периодом повторения . Под воздействием каждого из этих импульсов запуска срабатывают генератор видеоимпульсов 2, генератор напряжения развертки 3 и генератор масштабных меток 4. Рассмотрим функционирование каждого из этих узлов.

Генератор 2 формирует видеоимпульсы, длительность которых значительно больше, чем длительность импульсов запуска, и равно .

Рис. 3.15. Укрепленная схема импульсной радиосистемы измерения дальности: 1 – синхронизатор; 2 – генератор видеоимпульсов; 3 – генератор пилообразного напряжения (генератор напряжения развертки); 4 – генератор масштабных меток; 5 – генератор радиочастотных импульсов; 6 – антенный переключатель; 7 – приемно-передающая антенна; 8 – радио-приемное устройство; 9 – выходное индикаторное устройство (осциллограф)

Далее эти видеоимпульсы подаются на генераторе 5, в котором вырабатываются мощные радиочастотные импульсы, имеющие длительность и совпадающие во времени с данными видео импульсами. Указанные радиоимпульсы поступают на антенный переключатель 6, после чего излучаются в пространство с помощью приемно-передающей антенны 7.

Во время излучения антенный переключатель 6 замыкает вход радиоприемного устройства 8, предохраняя это устройство от поступления на него мощного радиоимпульса, а по окончании данного радиоимпульса размыкает указанный вход, в результате чего радиоприемное устройство 8 открывается по окончании излученного радиоимпульса и оказывается готовым к приему отраженного радиоимпульса.

Генератор напряжения развертки 3 предназначен для задания (в определенном масштабе) измеряемого интервала дальностей в выходном индикаторном устройстве 9. Поскольку данное индикаторное индикаторное устройство 9 представляет собой (в простейшем случае) осциллограф, то указанный генератор 3 формирует линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, которое и является напряжением развертки.

Слово «развертка» относится к движению яркостной точки (образованной сфокусированным электронным лучом) по экрану осциллографа, причем интервал перемещения этой точки соответствует (в заданном масштабе) интервалу измеряемых дальностей. Факт линейности напряжения развертки означает постоянство скорости смещения яркостной точки по экрану и, следовательно, обеспечения прямой пропорциональности между текущей координатой данной точки и текущим значением дальности. Отметим, что период запуска смежных пилообразных напряжений развертки равен периоду повторения , а сброс очередной «пилы» происходит незадолго до следующего импульса запуска.

Генератор масштабных меток 4 необходим для задания дальностной измерительной шкалы на экране осциллографа 9. Этот генератор формирует последовательность коротких импульсов, следующих с малым периодом повторения . Поскольку данная последовательность подается на осциллограф для кратковременного гашения электронного луча, то на экране измерительная шкала высвечивается в виде пунктирной горизонтальной линии, причем количество световых точек в том или ином отрезке этой линии характеризует соответствующий интервал дальностей. Дополнительной функцией генератора 4 является гашение так называемого обратного (от до ) хода электронного луча, предотвращающее мешающую (ухудшающую контрастность) засветку экрана.

Предположим, что в пространстве, на расстоянии от измерительной радиосистемы, находится объект. Тогда радиоимпульс, отраженный от этого объекта, поступит на приемно-передающую антенну 7 и через антенный переключатель 6 попадет на вход радиоприемного устройства 8. Видеоимпульс с выхода этого устройства будет подан на осциллограф 9 для измерения (путем подсчета количества масштабных меток) дальностей до объекта.

Характерной особенностью импульсных радиосистем является наличие минимальной измеряемой дальности . Дело в том, что в режиме излучения радиоприемное устройство закрыто на длительность , что соответствует расстоянию Следовательно, если дальность до объекта окажется меньше, чем то радиосигнал, отраженный от такого объекта, радиоприемным устройством воспринят не будет. Иными словами, рассмотренный измеритель дальности до объекта способен правильно определять указанную дальность, если она располагается в интервале: .

Традиционным местом расположения импульсных радиодальномеров на самолете является его носовая часть. В целях как снижения аэродинамического сопротивления, так и защиты приемно-передающей антенны от внешних воздействий, весь радиодальномер находится под радиопрозрачным обтекателем.

Рис. 3.16. Расположение параболической антенны в носовой части самолета: 1 – радиопрозрачный обтекатель (отвернут в сторону); 2 – приемно-передающая антенна; 3 – крепления антенны; 4 – фюзеляж самолета.

На рис. 3.16 показано расположение приемо-передающей антенны импульсного радиодальномера в носовой части истребителя. Радиопрозрачный обтекатель отвернут в сторону.

Что касается материала радиопрозрачного обтекателя, то потери в нем электромагнитной энергии должны быть минимальными. Кроме того, характеристики этого материала должны оставаться постоянными при значительном нагреве. Так, на самолетах с небольшими (до 500 км/ч) скоростями устанавливаются обтекатели из стеклоткани на бакелитовой основе. Обтекатели для среднескоростных самолетов изготавливаются из стекловолокна с клеями на основе эпоксидных смол. Основой материалов для обтекателей на сверхзвуковых самолетах служат кремнийорганические соединения, выдерживающие длительный нагрев свыше 200º С.

Конструкции радиопрозрачных обтекателей делятся на две группы: слоистые (используются в самолетах с невысокими скоростями полета для плоских обтекателей небольших габаритов) и сотовые (применяются в обтекателях сложной конфигурации, испытывающих значительные аэродинамические нагрузки).

На рис. 3.17 изображена структура обтекателя сотовой конструкции.

Рис. 3.17. Структура радиопрозрачного обтекателя сотовой конструкции: 1, 2, 4, 5 – листы пластика или таки; 3 – сотовая прослойка.

Для удобства наземных профилактических осмотров антенны обтекатели делают поворотными или легкосъемными. Наружную сторону обтекателя для предохранения от эрозии окрашивают специальной (обладающей малым поглощением электромагнитной энергии) краской. Использование, например, красок на металлической основе недопустимо.