Частотная радиолокация многих целей

Можно показать, что если в зоне действия РЛС с линейной ЧМ две цели, то в спектре биений есть частоты, соответствующие дальности до каждой из них. Это позволяет построить частотный радиолокатор многих целей, если включить анализатор спектра АС, измеряющий каждую из частот (рис. 3.7).

Разрешающая способность дальномера с симметричной пилообразной модуляцией определяется формулой

Где df — разрешающая способность по частоте анализатора спектра.

Разрешающая способность анализатора спектра определяется полосой про­пускания примененных в нем фильтров: чем меньше полоса пропускания, тем лучше разрешающая способность. Полосу пропускания разумно уменьшать только до величины F_M, так как биения имеют дискретный спектр, составляющие которого кратны F_M. Таким образом, предельная (потенциальная) разрешающая способность частотного дальномера с симметричной пилообразной модуляцией

В частотных дальномерах применяют аналоговые и цифровые анализаторы спектра. Аналоговые анализаторы могут быть параллельного и последовательно­го вида (рис. 3.8,3.9).

Последовательные анализаторы спектра более просты, чем параллельные, од­нако они более инерционны. Время перестройки фильтра на полосу пропускания должно быть более чем 1/D f, чтобы полоса пропускания фильтра действительно равнялась D f.

Цифровые анализаторы спектра строятся на основе дискретного преобразова­ния Фурье (ДПФ). Основой для построения цифровых анализаторов является пре­образование Фурье

(3.3)

где s(t) — сигнал с выхода усилителя частоты биений.

Для вычислений в цифровом виде бесконечный интервал интегрирования в формуле (3.3) заменяется конечным временем анализа. Т, интеграл заменяется конечной суммой и, кроме того, отдельно вычисляются действительная и мнимая

части спектра S(jw), поскольку вычислительная техника оперирует только с дей­ствительными числами.

Интервал анализа Т выбирается из требуемой точности измерения частоты ±Df, T=1/Df. Интервал временной дискретизации Dt реализации s(t) выбирает­ся по теореме Котельникова, исходя из необходимости передать высшую частоту спектра биений f_в: Dt = 1/2f_в. Тогда число отсчетов N сигнала s(t) на интервале анализа Т будет , причем отсчеты выполняются в дискретные моменты времени t_i = iDt. Спектральная плотность S(jw) вычисляется для дискрет­ных частот f_k = kDt. При сделанных ограничениях на основании формулы (3.3) получаем следующее выражение для модуля спектральной плотности S(jw):

где

Здесь h(i) — так называемая оконная функция, которая задает интервал анали­за. Т, а также сглаживает побочные максимумы в спектре, возникающие вслед­ствие конечности интервала анализа.

Структурная схема вычислителя, соответствующая данным формулам, пред­ставлена на рис. 3.10.

Сигналы с выхода усилителя частоты биений преобразуются в цифровую фор­му, перемножаются с оконной функцией и записываются в буферной памяти в виде реализаций длительностью Т. В процессоре производится вычисление спектра на интервале анализа Т, а также усреднение результатов вычислений за ряд реализа­ций. Обнаружение и оценку частоты сигнала производят по номеру канала, в кото­ром накопленный сигнал превысил порог, зависящий от выбранного критерия ка­чества.

Импульсный метод

В импульсном методе зондирующий сигнал представляет собой периодическую последовательность коротких радиоимпульсов длительности t, повторяющихся с периодом Т (см. u₃ рис. 3.11), причем обычно Т приблизительно на три порядка больше t.

Такая последовательность радиоимпульсов вырабатывается генератором сверхвысокой частоты ГВЧ (рис. 3.12), модулируемым импульсам u₂ импульсного модулятора ИМ, который запускается весьма короткими пусковыми импульсами, вырабатываемыми специальным генератором пусковых импульсов ГП.

В связи с тем, что в импульсной системе излучение зондирующих и прием отраженных сигналов разнесены во времени, обычно используется приемопередающая антенна А, переключаемая с приема на передачу и обратно специальным антенным коммутатором АК. Зондирующие радиоимпульсы поступают через этот антенный коммутатор в антенну и излучаются в виде электромагнитных волн в направлении, определяемом ее положением в пространстве и диаграммой направленности. Эти волны в процессе своего распространения при встрече с любым объектом отражаются от него, и какая-то (обычно малая по энергии) их часть поступает в антенну с временным запаздыванием, определяемым дальностью объекта отражения, из нее через антенный коммутатор в радиоприемное устройство ПрмУ, а затем на некоторое выходное устройство – индикатор дальности ИД.

Оконечные устройства (индикаторы) на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) широко применяются в радиолокационных станциях. В одном из простейших ва­риантов таких индикаторов используется линейная развертка по дальности и амп­литудная отметка цели. Простейшая структурная схема дальномера с подобным индикатором приведена на рис. 3.12, а эпюры напряжений в ее характерных точках— на рис. 3.11.

Генератор пусковых импульсов ГП генерирует синхронизирующие импуль­сы 1, запускающие импульсный модулятор ИМ и расширитель импульсов РИ. Импульсный модулятор вырабатывает мощные видеоимпульсы 2, необходимые для возбуждения колебаний в генераторе высокой частоты ГВЧ. Сигнал 5 с выхода расширителя импульсов поступает на генератор пило­образного напряжения ГПН, определяя длительность прямого хода Т_{пр х} напряже­ния развертки 6. Одновременно он поступает на модулятор или катод ЭЛТ (зависит от полярности) для подсветки прямого хода развертки. Генератор масштабных меток ГММ формирует узкие импульсы со стабильным периодом повторения Т_м так, что первая из меток совпадает по времени с импульсом синхро­низации 1.

В результате между пластинами действует линейно-возрастающая во времени разность потенциалов. При этом между ними появляется электростатическое поле, напряженность которого в процессе развертки линейно увеличивается во времени от нулевого значения в начале развертки до максимального в ее конце. При этом средний потенциал отклоняющих пластин при развертке остается постоянным.

Под действием указанных отклоняющих напряжений электронный луч трубки равномерно и прямолинейно развертывается по ее экрану, вызывая свечение соответствующих точек. Во время развертки положительные импульсы отраженных сигналов после их фильтрации от помех, усиления и детектирования в радиоприемном устройстве РПрУ подаются на вертикальную отклоняющую пластину, вызывая в момент поступления отклонение электронного луча вверх.

Несмотря на тщательное экранирование радиопередающего устройства (импульсного модулятора и генератора СВЧ) от радиоприемного устройства, импульс зондирующего сигнала вследствие своей большой импульсной мощности проникает в последнее устройство и из него поступает на вертикально отклоняющую пластину трубки, вызывая на ее экране соответствующий выброс.

Таким образом, на экране электронно-лучевой трубки образуется линейная развертка дальности.

Расстояние на экране трубки между передними фронтами (или максимумами) импульсов зондирующего и одного из отраженных сигналов составляет

,

где h – чувствительность трубки к отклонению луча; u – разность потенциалов отклоняющих пластин; U – амплитуда этой разности; t_p – длительность развертки; v_n – скорость движения пятна по экрану трубки; l_p – длина развертки; r_p – дальность, соответствующая всей длительности развертки; m – масштаб, в котором отображается расстояние на экране.

Следовательно, дальность отражающего объекта r=l/m пропорциональна расстоянию между передними фронтами зондирующего и отраженного импульсов. Ошибка измерения дальности Dr=Dl/m при заданной погрешности измерения расстояния Dl на экране трубки тем меньше, чем больше масштаб, т.е. чем больший участок диаметра трубки соответствует заданному диапазону дальности.

Для удобства измерения дальности отклонение луча на экране трубки градуируется непосредственно в единицах дальности путем подачи так называемых меток времени, которые представляют собой короткие импульсы, период повторения которых соответствует выбранному интервалу дальности. Эти метки вырабатываются специальным калибратором ГММ, работа которого синхронизируется пусковыми импульсами.

Легко видеть, что импульсный радиодальномер обладает разрешающей способностью по дальности и позволяет просто определять дальности многих объектов. По этой и другим причинам он получил исключительно широкое распространение.