Моноимпульсные методы измерения угловых координат

Принципы моноимпульсной пеленгации сформулированы основателем ее теории Д.Р. Родсом в виде трех постулатов:

1. Информация о пеленге извлекается из отношения сигналов, принятых по различным каналам.

2. Пеленгационная характеристика должна быть нечетной действительной функцией.

3. Пеленгационная характеристика не должна зависеть от амплитуды принятого сигнала.

Следует подчеркнуть, что более простые одноканальные методы измерения угловых координат не всегда обеспечивают достаточную точность измерения. Основной причиной этого являются искажение пачки отраженных сигналов за счет флюктуации вторичного излучения. Повышение точности измерений угловых координат достигается при переходе к многоканальным (моноимпульсным) методам измерения.

По виду используемого отношения сигналов пеленгаторы делятся на мультипликативные и аддитивные. Если a и b –некоторые числа, то отношение m=a/b называется мультипликативным, отношение m=(a-b)/(a+b) – аддитивным.

По виду антенной системы пеленгаторы делятся на фазовые и амплитудные. В них используются зависимости амплитуд или фаз принимаемых колебаний от направления прихода радиоволн, неодинаковые для различных каналов приема.

Фазовые пеленгаторы имеют разнесенные по пространству антенны с одинаковыми амплитудными диаграммами направленности F(a) (рис.3.23,а)

На выходах антенн имеем следующие сигналы

(3.14)

где - разность фаз сигналов в антеннах;

– расстояние между антеннами;

l - длина волны колебаний передатчика;

a - угол между направлением прихода радиоволн и нормалью к базе.

Рис.3.23 Фазовый (а) и амплитудный (б) угловые датчики

На рис. 3.24 изображена двухканальная фазовая система пеленгации

Для фазовой системы характерно, что разнесенные по пространству антенны имеют одинаковые амплитудные диаграммы направленности. На равносигнальном направлении j =0. Принятые колебания усиливаются приемниками и поступают на фазометр, который измеряет разность фаз j, зависящую от угловой координаты цели. Фазовая система многоканальной пеленгации позволяет определять угловое положение цели по одному принятому импульсу, и относится к классу моноимпульсных. Она практически не чувствительна к флюктуациям отраженного сигнала. Разность фаз принятых сигналов определяется с точностью до слагаемого, кратного 2p, при этом возможна неоднозначность определения координаты.

Амплитудные пеленгаторы имеют антенные системы с разнесенными по углу амплитудными диаграммами направленности и совмещенными фазовыми центрами (рис. 3.23, б)

где ε – отклонение оси ДНА от равносигнального направления.

На равносигнальном направлении U₁ (α)=U₂ (α).

На рис. 3.25 изображена структурная схема двухканального амплитудного пеленгатора. Различным каналам соответствуют смещенные на некоторый угол диаграммы направленности. Продетектированные сигналы с выходов приемников первого и второго каналов поступают на схему сравнения амплитуд, которая определяет их отношение. График зависимости отношения амплитуд от положения цели относительно оси антенной системы для смещенных диаграмм направленности изображен на рис. 3.26. По величине отношения амплитуд может быть найдено смещение цели относительно равносигнального направления. Угловая координата определяется алгебраической суммой измеренной величины и угла поворота антенны.

В отличие от одноканального измерителя двухканальный метод позволяет измерить угловую координату по одному импульсу (в импульсных локаторах), что обеспечивает нечувствительность к флюктуациям амплитуд отраженного сигнала, так как сравнение происходит в один и тот же момент времени.

Задача сравнения амплитуд облегчается в случае применения мультипликативных (логарифмических) пеленгаторов. Мультипликативное отношение сигналов m=U₁ (α)/U₂ (α) не зависит от амплитуды сигналов U_max. Логарифм этого отношения

При симметричности диаграмм направленности полученная функция является нечетной.

Для логарифмического амплитудного пеленгатора имеем

Соответствующая пеленгационная характеристика изображена на рис. 3.27.

Структурная схема пеленгатора изображена на рис.3.28

Недостатком схемы является тот факт, что приемные каналы должны быть идентичны для получения высокой точности пеленгования, причем идентичность должна соблюдаться в динамическом диапазоне входных сигналов в различных условиях эксплуатации. Считается, что неизбежный разброс параметров в каналах составляет 1-2 дБ.

Другой способ сравнения амплитуд связан с использованием автоматической регулировки усиления (АРУ) колебаний промежуточной частоты обоих каналов

(рис. 3.29).

Рис.3.29 Пояснение способа сравнения амплитуд с использованием автоматической регулировки усиления

Если в качестве регулирующего используется одно и то же напряжение, а усилители идентичны, то амплитуды выходных напряжений U_вых1 = kU₁ и U_вых2 = kU₂ пропорциональны амплитудам входных (коэффициент усиления k одинаков). В процессе регулировки выберем условие постоянства амплитуды выходного напряжения второго канала U_вых2 =c. В этом случае k=c/U₂, а амплитуда входного напряжения первого канала U_вых1=с·(U₁/U₂) оказывается пропорциональной отношению амплитуд напряжений на входе первого и второго каналов.

Жесткие требования к идентичности амплитудных характеристик каналов обработки снимаются в случае перехода к фазовым мультипликативным пеленгаторам. В таких пеленгаторах измеряются разность фаз сигналов в двух каналах, амплитудная зависимость исключается. На рис. 3.30 изображена структурная схема фазового мультипликативного пеленгатора.

Наличие общего гетеродина здесь принципиально необходимо, чтобы фазовые соотношения сигналов на выходах УПЧ были такими же, как на входах. Имеем

(3.15)

Подставляя в последнее соотношение разность фаз φ, получаем уравнение пеленгационной характеристики в виде нечетной действительной функции, правая часть которой не зависит от амплитуд сигналов:

(3.16).

Функция неоднозначна.

Это объясняется тем, что разность фаз определяется с точностью до слагаемого, кратного 2π. Неоднозначность устраняется за счет высокой направленности антенн, когда для углов α в пределах главного лепестка диаграммы направленности разность фаз не превышает 2π.

Аддитивные (суммарно-разностные) моноимпульсные пеленгаторы. В соответствии с ранее изложенными принципами имеем

При симметричных диаграммах направленности антенн данное отношение является нечетной функцией угла, не зависящей от амплитуды. Важным элементом пеленгаторов являются суммарно-разностные устройства. Их техническая реализация в разных диапазонах частот различна, но свойства идентичны. На рис. 3.31. изображена схема кольцевого суммарно-разностного моста, который обладает следующими свойствами:

1) Если на входы 1 и 2 подать ВЧ – колебания, то на выходе Σ получим сумму сигналов, а на выходе Δ – их разность;

2) Если сигнал на выходе 1 больше, чем на выходе 2, то сигналы Σ и Δ – в противофазе, а если наоборот, то Σ и Δ – в фазе;

3) Если ВЧ – сигналы подать на вход Σ, то на выходах 1 и 2 получим два синфазных сигнала, равных по мощности, а на выходе Δ – ноль.

На рис.3.32. изображена структурная схема суммарно-разностного амплитудного пеленгатора.

Отношение амплитуд разностного и суммарного сигналов зависит только от разности фаз исходных сигналов. С выходов Σ и Δ моста сигналы поступают в приемно-усилительные каналы, охваченные цепью АРУ, причем регулирующее напряжение данной цепи берется с выхода суммарного канала. В результате амплитуды сигналов, поступающих на фазовый детектор равны |Σ|/|Σ| и |Δ|/|Σ|.

Разность фаз между ними равна нулю либо 180⁰ в зависимости от того, какой из входных сигналов больше – U₁ или U₂ , то есть с какой стороны от равносигнальной зоны находится цель.

Выходное напряжение фазового детектора равно

(3.17)

и оно определяет пеленгационную характеристику, изображенную на рис. 3.33. Фазовый суммарно-разностный пеленгатор отличается от амплитудного видом антенной системы и наличием фазовращателя на π/2, который необходим для получения пеленгационной характеристики в виде нечетной действительной функции. Структурная схема пеленгатора изображена на рис.3.34.

Разность фаз между сигналами Σ и Δ при работе всегда равна 90⁰ по абсолютной величине (рис.3.35).

Однако знак фазового сдвига зависит от того, справа или слева от равносигнальной зоны расположена цель. Действительно, изменение стороны отклонения от равносигнального направления привело бы к тому, что вектор U₁ (см. рис. 3.35) займет положение вектора U₂, а вектор U₂ – положение U_1, так что вектор Δ изменит ориентацию на π.

Введением фазового сдвига π/2 между суммарным и разностным сигналами получаем напряжения на входах фазового детектора либо синфазными, либо противофазными в зависимости от того, справа или слева от равносигнального направления расположена цель. Знак выходного напряжения при этом меняется на обратный. Для этого и нужен сдвиг на π/2.

В суммарно-разностных моноимпульсных пеленгаторах равносигнальное направление формируется в суммарно-разностных мостах на входах приемных устройств. Поэтому амплитудная и фазовая нестабильность усилительных каналов не влияет на положение нуля пеленгационной характеристики, хотя и влияет на ее крутизну. Это обеспечивает высокую точность пеленгации, что обусловило широкое применение метода в радиотехнических системах.