Измерение дальности. Методы измерения дальности. Импульсный метод определения дальности. Частотный метод измерения дальности. Фазовые методы измерения дальности

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Для измерения дальности до отражающих объектов используют три метода: импульсный, частотный и фазовый. В основе всех трех методов лежат явления, обусловленные конечной скоростью распространения радиоволн в пространстве. Вследствие ряда преимуществ наибольшее распространение в радиолокации получил импульсный метод измерения дальности.

ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Определение дальности в импульсных дальномерах сводится к измерению времени запаздывания отраженного от цели импульса относительно зондирующего, так как

Это основное соотношение для радиодальнометрии. Запаздыванию t 3 = 1 мксек соответствует дальность R=150м. Чтобы получить высокую точность определения R, нужно точно измерять t з. Структура импульсного дальномера представлена на рис. 3.1, а соответствующие ей временные диаграммы - на рис. 3.2.

Отраженные сигналы в простейшем случае, когда целью является одиночный объект малых размеров, представляют собой высокочастотные импульсы весьма малой интенсивности приблизительно той же длительности, что и излучаемые импульсы.

Импульсный радиолокатор состоит из синхронизатора, передатчика, приемника и оконечного устройства.

Оконечное устройство является весьма важным элементом РЛС. В оконечное устройство, в общем случае, входит также система измерения угловых координат, связанная с антенной синхронной передачей угла поворота антенны. Оконечное устройство должно решать две задачи: во-первых, выделять сигнал на фоне помех с сохранением всех полезных параметров и, во-вторых, по параметрам выделенного сигнала измерять координаты цели и характеристики ее движения. В зависимости от получателя радиолокационной информации могут быть использованы различные типы оконечных устройств.

Если получателем радиолокационной информации является оператор, то оконечным устройством современной РЛС, как правило, служит электронно-лучевой индикатор или жидкокристаллический дисплей. Здесь радиолокационные сигналы преобразуются в видимое на экране изображение.

Если получателем радиолокационной информации является, вычислительное устройство или непосредственно исполнительный механизм непрерывного действия, то оконечным устройством РЛС должна быть система автоматического сопровождения цели. Последняя выдает данные о дальности цели обычно в виде напряжения, а данные об угловых координатах - в виде углов поворота осей антенны.

Если информация с РЛС поступает на ЦВМ, ее необходимо подавать в виде чисел двоичного кода. Оконечное устройство, обеспечивающее преобразование радиолокационной информации в двоичный код, получило название устройства инструментального съема данных.

Рассмотрим работу импульсного дальномера, в качестве оконечного устройства которого используется электроннолучевой индикатор. Синхронизатор вырабатывает управляющие импульсы, следующие с определенной частотой повторения, с помощью которых координируется во времени работа всех элементов РЛС. Импульсы синхронизатора запускают передатчик, который состоит из модулятора и высокочастотного генератора. На выходе передатчика вырабатываются импульсы высокочастотных колебаний, которые через антенный переключатель АП поступают в антенну и излучаются.

Большинство импульсных РЛС для излучения и приема сигналов используют одну и ту же антенну, которая во время излучения подключается к передатчику и отключается от приемника, а во время приема сигналов подключается к приемнику и отключается от передатчика. Переключение антенны осуществляется АП, действие которого основано на использовании отрезков четвертьволновых линий и газовых разрядников.

Отраженные от цели сигналы через антенну и АП поступают в приемник, где усиливаются до необходимой величины и преобразуются в видеоимпульсы. Так как АП не может осуществить идеального отключения приемника, на его вход просачиваются значительно ослабленные зондирующие импульсы передатчика. По амплитуде они значительно превышают отраженные импульсы. В РЛС находят применение два вида индикаторов: индикаторы с амплитудной отметкой и индикаторы с яркостной отметкой.

Рассмотрим индикатор с амплитудной отметкой. Для создания развертки по дальности на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ подается напряжение от генератора развертки, который запускается импульсом синхронизатора одновременно с передатчиком. Если напряжение развертки линейно, то светящееся пятно на индикаторе перемещается от одного края экрана трубки к другому с постоянной скоростью v р. Импульсы с выхода приемника, поступающие на вертикально отклоняющие пластины индикатора, вызывают отклонение пятна по вертикали. Первый выброс на экране создается просачивающимся через АП импульсом передатчика, все остальные выбросы - сигналами, отраженными от объектов (рис. 3.3). Так как величина перемещения пятна по экрану является мерой времени, то расстояние l между передним фронтом импульса передатчика и передним фронтом отраженного сигнала характеризует дальность до объекта. Действительно,

l = v p t з = v p 2R/c =MR, (1)

где v р - скорость движения пятна по экрану трубки (скорость развертки);

t з = 2R/c - время задержки отраженного сигнала относительно зондирующего;

M= 2v p R/c - масштаб линейной развертки.

Отсчет дальности в простейшем случае производится либо по механической шкале, наложенной на экран трубки, либо по электронной шкале, созданной в плоскости временной развертки. Основное достоинство метода отсчета по механической шкале заключается в его простоте. Недостатком его является малая точность отсчета. Применяется в станциях дальнего обнаружения и в других устройствах, где не требуется высокая точность.

Изобретение относится к радиолокации и используется для измерения дальности. Способ измерения дальности заключается в излучении импульсных сигналов с частотой повторения F 1 , приеме отраженных сигналов и измерении их доплеровской частоты f 1 , последующем излучении сигнала с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) несущей частоты с крутизной S, приеме отраженного ЛЧМ сигнала, измерении разности частот f 2 между излучаемым и принимаемым ЛЧМ сигналами, измерении задержки отраженных импульсных сигналов t 1 на частоте повторения, излучении импульсных сигналов с частотой повторения F 2 , равной , приеме отраженных сигналов и измерении их задержки t 2 , а дальность определяют по формуле Технический результат заключается в повышении точности измерения дальности. 1 ил.

Изобретение относится к радиолокационной технике, а именно к дальнометрии. Данное изобретение предназначено для измерения дальности до цели с помощью импульсно-доплеровской РЛС, работающей с высокой частотой повторения излучаемых импульсов в режиме сопровождения цели на "проходе" (СНП).

Известен способ измерения дальности до цели, включающийся в линейно-частотной модуляции несущей частоты (ЛЧМ).

Такой способ описан в литературе (см. Справочник по радиолокации, т. 3, под ред. М.Сколника, стр. 383, М. "Советское радио", 1979 г.).

Способ включает последовательное излучение сигнала с ЛЧМ несущей частоты с определенной крутизной и без ЛЧМ, измерение доплеровских сдвигов частоты сигнала от цели и вычисление дальности до цели делением разности доплеровских сдвигов на удвоенную крутизну изменения несущей частоты. Точность измерения дальности по этому способу низкая ввиду того, что разность доплеровских сдвигов определяется с малой точностью.

В бортовых радиолокационных станциях применяются различные способы чередования излучения сигналов с линейно-частотной модуляцией несущей и без нее. В одних станциях до обнаружения цели используются сигналы без ЛЧМ, а после обнаружения цели и вычисления доплеровского сдвига частот путем последовательной посылки сигнала с ЛЧМ с крутизнами S 1 и S 2 . Две крутизны применяются для вычисления дальностей до нескольких целей.

В других станциях обзор осуществляется последовательным применением сигналов без ЛЧМ и с ЛЧМ с крутизнами S 1 и S 2 и вычислением дальности в "плавающем окне", где последовательность используемых сигналов S = 0, S = S 1 , S = S 2 может быть произвольной.

Известно также несколько способов измерения дальности в импульсно-доплеровских системах, позволяющих получить высокую точность измерения, в которых за время наблюдения цели производят ступенчатое изменение в определенных пределах частоты повторения зондирующих импульсов.

Известный способ включает последовательное излучение сигнала с двумя рабочими частотами повторения импульсов, определение временного положения отраженных от цели импульсов на каждой частоте повторения и определение истинной дальности. Указанный способ обеспечивает измерение дальности в режиме обзора в РЛС со средней частотой повторения.

Другой известный двухчастотный способ измерения дальности, являющийся прототипом заявляемого способа, описан в литературе (см. "Бортовые радиолокационные системы" под ред. Д.Повейсила., Р.Ровена, П.Уотермана, Воениздат МО СССР, Москва, 1964 г., стр. 317-320). Излучение импульсов осуществляется с двумя частотами повторения F 1 и F 2 . В связи с неоднозначностью измерения отметка от цели, истинная дальность которой соответствует t ц, будет появляться на каждом периоде повторения на дистанции, соответствующей задержкам по времени t 1 и t 2 относительно ближайшей отметки от зондирующего импульса. Таким образом где n 1 и n 2 - количество интервалов однозначного измерения дальности для каждой частоты повторения импульсов; t 1 , t 2 - неоднозначные дальности на частотах повторения F 1 и F 2 соответственно, выраженные в единицах времени; t ц - дальность до цели, выраженная в единицах времени.

Существует несколько возможных соотношений между n 1 и n 2: n 1 = n 2 , n 1 - 1 = n 2 , n 1 + 1 = n 2 и т.д.

Подставляя эти соотношения в (1), получим формулы для определения задержки во времени, соответствующей истинной дальности цели.

Выбрав соотношение n 1 = n 2 , получим Из (2) следует, что, использование двух частот повторения позволяет осуществлять однозначное измерение дальности вплоть до необходимой предельной дистанции, соответствующей задержке во времени, равной
где определяется значением необходимой максимальной дальности.

При работе РЛС с высокой частотой повторения излучаемых импульсов требуется измерять большие дальности до цели при неоднозначности (отношении дальности до цели к дальности, соответствующей периоду обзора), равной ~ 100, тогда как описанный двухчастотный способ обеспечивает измерение дальности при неоднозначности 5-6.

Для дальнейшего увеличения дистанции однозначного измерения дальности можно использовать многочастотный способ с применением трех или более частот повторения импульсов, но при последовательном переходе от одной частоты повторения к другой при неизменной ширине полосы пропускания приемного канал время наблюдения цели должно быть увеличено пропорционально количеству используемых частот повторения импульсов. При дальности порядка 100 км для оценки ее с высокой точностью вышеуказанным способом практически используется 10-12 частот повторения, что не может быть реализовано в режиме сопровождения целей на проходе из-за малого времени радиолокационного контакта с целью.

Увеличение периода повторения для достижения необходимой дистанции однозначного измерения приводит к тому, что обнаружение и сопровождение целей "на проходе" вследствие снижения средней мощности излучаемого сигнала и вследствие того, что обнаружение и сопровождение целей будет происходить на фоне отражений от земной поверхности, приводит к уменьшению дальности действия РЛС и к значительным ложным измерениям, обусловленным "блестящими" точками на фоне подстилающей поверхности.

Целью данного изобретения является повышение точности измерения дальности в условиях ограниченного времени радиолокационного контакта с целью.

Эта цель достигается сочетанием операций двух способов - линейно-частотной модуляции и двухчастотного в определенной, неизвестной ранее последовательности и выборе частоты повторения F 2 по формуле

Других технических решений, имеющих признаки, сходные с отличительными, не обнаружено, следовательно, предлагаемое изобретение отвечает критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ измерения дальности состоит в следующем. Время облучения цели с частотой F 1 делится на два интервала (такта). На первом такте частотная модуляция несущей не осуществляется и производится измерение доплеровского сдвига сигнала от цели. В течение второго такта частоты передатчика и местного гетеродина меняются линейно с крутизной S. За время распространения сигнала до цели и обратно частота местного гетеродина изменяется так, что каждый сигнал от цели после гетеродинирования дополнительно к доплеровскому сдвигу получает сдвиг, пропорциональный дальности. Определяется разность частот F двух сигналов (отраженного сигнала и сигнала гетеродина) и дальность вычисляется по формуле

Измерение дальности способом ЛЧМ несущей не накладывает практических ограничений на максимальную измеряемую дальность, но дает большую (6 км) ошибку Д.

Для повышения точности определения дальности раскрывают неопределенность Д в вычисленном значении Д ЛЧМ, используя две частоты повторения импульсов. Для этого выделяют интервал возможных значений дальности, равный 2 Д:
[Д лчм -Д; Д лчм +D].
Внутри этого интервала использование двух частот повторения позволяет определить однозначное значение дальности с высокой точностью. Поскольку измерение дальности способом ЛЧМ произведено на частоте повторения F 1 , вторую частоту F 2 выбирают из условия однозначного определения дальности на интервале 2 Д:

другими словами, на интервале 2 Д число периодов повторения, соответствующих F 2 , на 1 меньше числа периодов, соответствующих F 1 .

Но поскольку необходимая максимальная дальность при работе РЛС в режиме СНП значительно превышает величину интервала 2 Д, измеренное значение дальности с помощью двух частот повторения будет в действительности неоднозначным. Истинная дальность может быть представлена в виде
Д и = Д неодн + n T девиац,
где Д неодн - неоднозначная дальность на частоте девиации F 1 - F 2 , период которой T девиац = равен интервалу точности 2 Д;
n - наибольшее число периодов девиации, при котором дальность, кратная указанному числу периодов девиации n T девиац, не превышает Д ЛЧМ.

Измерение дальности с помощью ЛЧМ позволяет определить значение n T девиац, а использование двух частот повторения позволяет определить значение Д неодн с высокой точностью.

Перейдя к обозначениям, принятым в описании прототипа, заметим, что истинной дальности до цели соответствует задержка во время t ц, которую можно вычислить по формуле

где целая часть, целая часть - число периодов повторения в интервале от 0 до Д ЛЧМ для каждой частоты F 1 и F 2
K 1 ; K 2 - число периодов повторения, соответствующих смещению дальности, измеренной способом ЛЧМ, относительно истинной дальности до цели (для F 1 и F 2 соответственно).

Существует два соотношения между K 1 и K 2:
K 1 = K 2 , K 1 + 1 = K 2
Подставляя эти соотношения в (5), получим формулы для определения задержки во времени

(7)
За истинную дальность принимается значение t ц, которое находится в ограниченном интервале точности Д.

В выражении (6) и (7) первые слагаемые представляют собой наибольшую дальность, не превышающую Д ЛЧМ, кратную периоду девиации частот (F 1 - F 2), а вторые слагаемые являются неоднозначной дальностью на периоде девиации частот F 1 и F 2 .

Точность определения дальности t ц обусловлена точностью определения Д неодн двухчастотным способом, т. к. входящие в первое слагаемое величины Д ЛЧМ, F 1 , F 2 точно известны.

Таким образом, из формул (6), (7) видно, что сочетание операций двух способов - ЛЧМ и двухчастотного, и выбор второй частоты повторения излучаемых импульсов из соотношения F 2 = F 1 - позволяет во всем диапазоне возможных значений дальности за минимальное время получить оценку дальности с точностью измерения дальности двухчастотным способом, которая сравнима с точностью измерения, свойственной импульсной радиолокационной станции, применяющей импульсы такой же длительности (см. "Бортовые радиолокационные системы"./ под ред. Повейсила и др., Воениздат, М., 1964 г., стр. 321).

На чертеже представлена упрощенная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, причем область вне пунктирного прямоугольника соответствует реализации устройства прототипа, а внутри - соответствует вновь вводимым блокам, определенная взаимосвязь между всеми блоками позволяет реализовать предлагаемый способ.

1 - передатчик,
2 - синхронизатор,
3 - управляемый гетеродин,
4 - антенна с антенным переключателем,
5 - приемник,
6-1, 6-2, ..., 6-N - стробируемые усилители,
7-1, 7-2, ..., 7-N - наборы параллельных доплеровских фильтров, каждый из которых содержит детектор и накопитель,
8-1, 8-2, ..., 8-N - переключаемые пороговые устройства,
9 - дальномер,
10 - угломер,
11 - индикатор,
12 - первая логическая схема "ИЛИ" на N-входов,
13 - вторая логическая схема "ИЛИ" на N-входов,
14 - счетчик с дешифратором,
15 - преобразователь "временной интервал - код",
16 - преобразователь "код - временной интервал",
17 - блок измерения положения цели,
18 - устройство памяти,
19 - вычислитель неоднозначной дальности,
20 - вычислитель дальности ЛЧМ,
21 - вычислитель целой части числа периодов,
22 - вычислитель второй частоты повторения,
23 - вычислитель истинной дальности.

Приведенное в качестве примера реализации устройство работает следующим образом.

Работа РЛС разделена на такты, длительность которых определяется временем когерентного накопления сигнала.

Внутри такта параметры излучаемого импульса и его частота повторения (ЧПМ) остаются неизменными. Импульс запуска передатчика 1, задаваемый синхронизатором 2, поступает в передатчик, на второй вход которого поступает выходное напряжение управляемого гетеродина 3.

До обнаружения цели выходная частота гетеродина 3 постоянна и выходной импульс передатчика, излучаемый антенной 4, не имеет ЛЧМ несущей частоты.

При наличии цели в 1-м такте отраженный от нее сигнал, имеющий доплеровское смещение частоты, пропорциональное радиальной составляющей скорости сближения носителя РЛС и цели через антенну 4, поступает в приемник 5, на второй вход которого поступает напряжение гетеродина 3. После гетеродинирования сигнал с выхода приемника поступает на входы N стробируемых каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных стробируемых усилителей 6-1, 6-2, ..., 6-N, набора параллельных доплеровских фильтров, содержащих детекторы и накопители 7-1, 7-2, ..., 7-N, выходы которых последовательно опрашиваются переключаемым пороговым устройством 8-1, 8-2, ..., 8-N.

Стробирование каналов осуществляется стробами, поступающими от синхронизатора 2 на вторые входы стробируемых усилителей 6-1, 6-2, ..., 6-N. Переключение порогового устройства производится с помощью гребенки импульсов опроса, поступающих с выхода "b" синхронизатора 2.

В каждом канале при превышении порога на выходе b 1 , b 2 , ..., b N переключаемого порогового устройства фиксируется номер импульса опроса, соответствующий номеру фильтра N ф, в котором произошло обнаружение цели. Сигнал обнаруженной цели с выхода a 1 , a 2 , ..., a N порогового устройства поступает на индикатор 11 и блок измерения положения цели 17. Выходное напряжение на выходе блока 17 пропорционально задержке цели от ближайшего слева зондирующего импульса.

На выходе C 1 , C 2 , ..., C N порогового устройства в случае превышения порога возникает сигнал, поступающий через схему "ИЛИ" 13 на вход счетчика с дешифратором 14, на 3-х выходах которого формируются раздельно 1-й, 2-й и 3-й импульсы управления, соответствующие последовательным тактам работы РЛС.

При возникновении 1-го импульса управления в устройстве памяти 18 производится запоминание следующих параметров: номера "звенящего" фильтра (N ф1) через логическую схему "ИЛИ" 18, временной задержки эхо-сигнала t 1 с выхода блока 17, частотные повторения F 1 , поступающей с выхода "a" синхронизатора 2 через преобразователь "временной интервал - код" 15. Кроме того, запускается вычислитель 22, содержащий делитель и вычитающее устройство, рассчитывающий частоту повторения F 2 = F 1 - , и в синхронизаторе 2 в следующем тактовом интервале формируется строб ЛЧМ, поступающий с выхода "d" синхронизатора на вход управляемого гетеродина 3. С выхода "c" синхронизатора на вход передатчика 1 поступает импульс запуска передатчика с ЧПИ F 1 .

Во 2-м такте РЛС работает с ЧПИ F 1 и ЛЧМ несущей частоты. При наличии 2-го импульса управления в устройстве памяти 18 производится запоминание второго номера "звенящего" фильтра (N ф2) и вычислитель 20, содержащий умножитель, вычислитель и делитель, производит расчет дальности Д ЛЧМ = , где S и K - константы. При возникновении 2-го импульса управления, в следующем тактовом интервале на вход синхронизатора поступает значение частоты F 2 с выхода вычислителя 22 через преобразователь "код - временной интервал" 16, и на выходе "d" синхронизатора не формируется строб ЛЧМ, благодаря чему гетеродин 3 формирует неизменную несущую частоту. С выхода "C" синхронизатора на вход передатчика 1 поступает импульс запуска с ЧПИ F 2 .

В 3-м такте РЛС работает с ЧПИ F 2 без ЛЧМ несущей частоты. Прохождение сигналов по блокам РЛС аналогично 1-му такту. При возникновении 3-го импульса управления производится запоминание временной задержки отраженного сигнала t 2 с выхода блока 17 и последовательно запускаются в работу вычислители 19, 21 и 23.

Блок 21 производит вычисление целой части n 1 и n 2 частного - от деления Д ЛЧМ на F 1 и F 2 соответственно. Блок 19, содержащий 2 умножителя, 2 вычитающих устройства и делитель, вычисляет неоднозначную дальность

На выходе блока 23, содержащего 2 вычитающих устройства, делитель и сумматор, образуется напряжение истинной дальности в соответствии с формулой:

Устройство описано выше как комбинированное, хотя оно может быть выполнено и как цифровое.

Предложенный способ и приведенное в качестве примера устройство обладает принципиальным отличием от известных способов измерения дальности в режиме обзора, состоящим в высокой точности измерения дальности в условиях ограниченного времени радиолокационного контакта с целью при применении РЛС с высокой частотой повторения импульсов.

Эффективность предлагаемого способа измерения однозначной дальности проверялась с помощью математического моделирования. Модель включала в себя блок формирования входного сигнала, блок формирования смеси сигнал/шум на выходе линейного приемника в каждом из временных стробов приемного канала и блок вычисления дальности, работающий по предлагаемому способу. Блок формирования сигнала выдавал случайные реализации сигнала с заданной частотой повторения с начальной дальностью, равномерно распределенной на отрезке дистанции, равной 12 км. В блоке приемника этот сигнал складывался со случайной реализацией шума, распределенного по нормальному закону, причем соотношение сигнал/шум варьировалось в заданных пределах от одной серии статистических испытаний к другой. В блоке измерения однозначной дальности использовался однопороговый обнаружитель сигнала, причем уровень порога соответствовал заданному значению вероятности ложной тревоги. Точность измерения однозначной дальности оценивалась путем статистической обработки серии случайных результатов, полученных при математическом моделировании процесса обработки сигнала.

Полученные результаты показали, что при четырех стробах в зоне приема, начальной точности 6 км (полученной на первом этапе измерения однозначной дальности с помощью ЛЧМ), соотношении сигнал/шум на входе измерителя, равном 17 дБ (7 раз), величине порога обнаружения, равной 4,5 ш, вероятность измерения с ошибкой / / < 300 м составляет P = 0,6, с ошибкой / / = 300 - 600 м P = 0,33, с ошибкой / / = 600 - 900 м P = 0,043.

Таким образом, показано, что предлагаемый способ обеспечивает достижение поставленной цели: повышение точности измерения дальности в условиях ограниченного времени радиолокационного контакта с целью.

Способ измерения дальности, включающий излучение импульсных сигналов с частотой повторения F 1 , прием отраженных импульсных сигналов и измерение их доплеровской частоты f 1 , последующее излучение сигнала с линейно-частотной модуляцией /ЛЧМ/ несущей частоты с крутизной S, прием отраженного ЛЧМ сигнала, измерение разности частот f 2 между излучаемым и принимаемым ЛЧМ сигналами и определение дальности Д по формуле

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для селекции самонаводящихся противорадиолокационных ракет (ПРР) при различном по поляризации импульсном зондировании в квазиоптической области отражения радиоволн

Основываясь на свойствах распространения электромагнитных волн в диапазоне СВЧ (прямолинейность и постоянство скорости, равной скорости света) можно определить параметр, позволяющий оценить дальность. Таким параметром является время запаздывания t з отраженного сигнала относительно излученного. Дальность в этом случае определится следующим образом:

где С – скорость распространения света (С=3·10 8 м/с).

Число 2 в знаменателе учитывает, что электромагнитная волна проходит путь от РЛС до объекта и от объекта до РЛС, т.е. дважды.

При неавтоматическом измерении дальности используется индикатор кругового обзора (рис.3.11). Значение координаты отсчитывается относительно масштабных отметок дальности.

Индикаторы кругового обзора относятся к индикаторам с яркостной отметкой. Обнаруженный сигнал отображается в виде светящейся отметки (с длительным послесвечением). Координаты воздушного объекта определяются по положению отметки относительно масштабных отметок дальности и азимута. Процесс определения дальности сопровождается ошибками измерения, основными из которых являются:

а) ошибки за счет запаздывания сигнала в цепях обработки за счет неточности синхронизации генераторов развертки;

б) ошибки за счет искажения формы развертывающих напряжений;

в) ошибки за счет нестабильностей питающих напряжений;

г) ошибки за счет отсчета.

Ошибки, указанные в пунктах а) и б) относятся к категории систематических и могут быть учтены. Другие две ошибки случайны. Наиболее значительны ошибки отсчета, которые возникают: вследствие неточного определения истинного положения переднего фронта отраженного сигнала на линии развертки; за счет параллакса и интерполяции при конечных размерах апертуры (развертывающего пятна); за счет шумов. Минимальная ошибка измерения дальности в ИКО составляет

где d – диаметр пятна;

m – масштаб развертки дальности.

Для уменьшения ошибок необходимо добиваться наилучшей фокусировки луча и выбирать более крупный масштаб.

Дальность может быть измерена при использовании генератора счетных импульсов, имеющего высокую стабильность частоты повторения (рис.3.12).

Импульс запуска РЛС переводит триггер в состояние, при котором открывается каскад совпадения, через который счетные импульсы поступают на счетчик. Импульс обнаружения переводит триггер в другое состояние, при котором каскад совпадения закрывается. На выходе счетчика фиксируется код, соответствующий количеству импульсов на его входе

где Д – дальность;

с – скорость света;

F п – частота повторения тактовых импульсов.

Показание дальности изменится только тогда, когда число N изменится, по крайней мере, на единицу. В этом случае имеет место дискретность отсчета, равная

Дискретность отсчета обусловливает ошибку измерения дальности, которая равна

.

Число разрядов счетчика n определяется максимальной дальностью и допустимой ошибкой измерения

. (3.9)

Например, при Д макс =200 км и Δ Д =20 м, 2 п =10 4 , откуда n=14.

Устройство, изображенное на рис.3.12, позволяет за один период импульсов запуска измерить дальность только до одного объекта.

Более предпочтительным является метод автоматического измерения дальности, алгоритм которого состоит в следующем. Зона обнаружения РЛС по дальности разбивается на отдельные дискреты (рис. 3.13), величина которых определяется длительностью импульса (минимальный размер) и максимальной ошибкой измерения дальности (максимальный размер).

Период следования импульсов запуска (ИЗ) определяет максимальную дальность обнаружения воздушных объектов. Устройство измерения дальности должно быть многоканальным, т.к. за один период зондирования необходимо обеспечить измерения дальностей до нескольких объектов, имеющих одинаковую азимутальную координату.

При автоматическом измерении дальность определяется по номеру дискрета N Д, в котором наблюдается отметка

где h Д – длительность одного дискрета дальности.

Номер дискрета может быть установлен путем счета тактовых импульсов, которыми дискретизируется дальность за время периода повторения Т п импульсов запуска. Устройство измерения дальности может быть выполнено в соответствии со структурой, изображенной на рис. 3.14.

Работает устройство следующим образом. Импульс запуска РЛС «обнуляет» счетчик. С поступлением тактовых импульсов ТИ на выходе счетчика формируется текущий код дальности, который выдается на одни из входов схем совпадения «И». В ответном сигнале ответчика формируется координатный код, представляющий собой время – импульсный код, состоящий из двух импульсов. Дешифрация координатного кода реализуется линией задержки и схемой совпадения «И». В результате дешифрации на выходе схемы совпадения появляется импульс, разрешающий выдачу кода дальности на выходы схемы совпадения «И». Следующий цикл работы начинается с «обнуления» счетчика. Число разрядов цифрового кода дальности зависит от общего числа дискретов дальности. При измерении дальности в первичных РЛС разрешение на выдачу текущего кода дальности на выход измерителя дает импульс с генератора импульсов считывания (ГИС), формируемой с приходом импульса обнаружения (ИО).

Измерение азимута

Применяется метод максимума при измерении угловых координат.

Метод максимума относится к амплитудным методам измерения угловых координат, которые основаны на использовании направленных свойств антенн. Пеленгация методом максимума (рис. 3.15) осуществляется путем совмещения направления максимума пеленгационной характеристики (или диаграммы направленности антенны) β с направлением на пеленгуемый объект β 0 в результате плавного вращения антенны. Пеленг (азимут) отсчитывается в тот момент, когда напряжение на выходе приемника становится максимальным.

Практическая реализация метода максимума может быть осуществлена следующим образом.

В случае неавтоматического определения азимута, координата отсчитывается по середине обнаруженной отметки (отсчет в азимутальной плоскости) относительно масштабных отметок азимута. Основными достоинствами метода максимума являются: простота определения угловых координат, а также то, что в момент точного пеленга имеет место наибольшее отношение сигнал-шум, так как отсчет производится по максимуму сигнала.

Одним из основных недостатков метода является низкая точность, обусловленная малой остротой вершины сигнала. В РЛС с достаточно узкими диаграммами направленности антенн ошибка измерения азимута составляет

где – ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности (рис. 3.16).

Для уменьшения ошибок измерения азимута необходимо применять меры, позволяющие сделать луч более узким (например, увеличивать линейный размер антенны).

При автоматических методах измерения координат зона, в пределах которой обеспечивается прием и обнаружение сигналов, разбивается на элементы по дальности и азимуту. Величина дискрет по дальности и азимуту выбирается из допустимых ошибок измерения координат.

Число дискрет по азимуту в системах радиолокации выбрана 4096, что обеспечивает ошибку при измерении азимута 5 угловых минут. Это удовлетворяет требованиям по точностным характеристикам.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости симметрична, поэтому азимут объекта может быть определен следующим образом:

, (3.10)

где β н – азимут начала пачки;

β к – азимут конца пачки

Δβ – систематическая ошибка, обусловленная смещением β н и β к при проверке критериев обнаружения начала и конца пачки.

Структура измерителя азимута изображена на рис. 3.17.

Работа схемы заключается в следующем. С приходом импульса «Север» счетчик «обнуляется». При поступлении масштабных азимутальных импульсов (МАИ), на выходе счетчика формируется цифровой код, представляющий собой текущий код азимута. Этот код поступает на одни из входов схем совпадения «И», на вторые входы которых подаются импульсы считывания с генератора импульсов считывания (ГИС). При наличии импульсов считывания на выходы схем совпадения выдаются цифровые коды β н и β к, которые поступают в спецвычислитель, где определяется азимут воздушного судна.

Формирование импульсов начала и конца пачки отраженного сигнала осуществляется следующим образом. Для ослабления влияния ложных импульсов и пропусков сигнала на точность измерения начало и конец пачки определяются по специальному критерию (логике). В качестве критерия может быть выбран следующий. Если за три последовательных периода повторения обнаружен один импульс, он считается ложным (рис. 3.18), если два – они считаются началом пачки. Конец пачки отмечается, если в трех последовательных периодах после начала впервые обнаружен пропуск двух импульсов (пропуск только одного импульса считается ложным).

В общем случае может использоваться логика «k из т». Логики могут быть целыми (k = т) и дробными (k < m). Для определения начала и конца пачки могут использоваться одинаковые логики либо различные. При использовании различных логик менее жесткая определяет конец пачки, чтобы исключить ее дробление вследствие флюктуационного выпадения отдельных импульсов. Например, если начало пачки определяется по логике «3 из 3» (3/3), тогда конец пачки будет определяться по логике «2 из 3» (2/3). В некоторых случаях конец пачки определяется тогда, когда в смежных периодах повторения импульсы отсутствуют l раз (l нулей подряд). Такую логику обозначим как «k/m – l».

Структурная схема формирователя импульсов начала и конца пачки изображена на рис. 3.19.

Генератор стандартных импульсов срабатывает, когда импульсы с выхода приемника превысят некоторый порог. В дальнейшем осуществляется проверка критериев обнаружения импульсов начала и конца пачки и формирование этих импульсов. На рис. 3.20, 3.21. изображены обнаружители импульсов начала и конца пачки.

Приведенные обнаружители осуществляют анализ по критерию «2 из 3». Поступающие на вход импульсы задерживаются на один и два периода повторения, суммируются и подаются на пороговое устройство, которое срабатывает при суммировании не менее двух импульсов. Формирование импульсов начала и конца пачки реализуется схемой, состоящей из линии задержки и каскада несовпадения, пропускающего сигналы, если они одновременно отсутствуют на двух входах.

На рис. 3.22 изображены эпюры напряжений, поясняющие процесс формирования импульсов начала и конца пачки.

Следует подчеркнуть, что в процессе проверки критериев обнаружения импульсов начала и конца пачки, происходит сдвиг этих импульсов относительно действительного положения импульсов пачки. Это является систематической ошибкой, которая должна быть учтена в вычислителе азимута

где Δβ – поправка, учитывающая время проверки критериев обнаружения.

При использовании критерия «k/m – l» начало пачки β н оказывается смещенным вправо на (т – 1) позиций, а конец пачки β к – на l позиций. В этом случае систематическая поправка Δβ равна

где – угловой дискрет (угол между соседними азимутальными позициями).

Рассмотренные схемы обработки являются однопороговыми.

Чтобы определить расстояние до обнаруженного объекта (цели), необходимо знать время запаздывания отраженного радиоимпульса относительно излученного.

Время запаздывания Δt зависит от расстоянияД до отражающего объекта и скоростис распространения радиоволн. Так как отраженный импульс проходит двойной путь (от радиолокационной станции до объекта и обратно), то это время увеличивается в два раза

Если измерить время запаздывания отраженного импульса, то можно определить расстояние до отражающего объекта. Это расстояние из приведенной выше формулы равно

При запаздывании отраженного импульса относительно излученного на одну микросекунду расстояние до отраженного объекта

Для измерения времени запаздывания отраженного импульса, а, следовательно, и расстояния до обнаруженной цели пользуются электронно-лучевыми трубками. В простейшем случае для этого применяют электронно-лучевую трубку с электростатическим управлением и линейной разверткой луча.

Для измерения дальности в радиолокации наибольшее распространение получил импульсный метод. Измерение дальности основано на постоянстве скорости и прямолинейности распространения радиоволн, которые выдерживаются в реальных условиях с достаточно большой точностью. Измерение дальности сводится к фиксации моментов излучения зондирующего и приема отраженного сигнала и измерению временного интервала между этими моментами.

Для обеспечения данного метода используется импульсная модуляция зондирующего сигнала.

Рис. 3. Принцип импульсной модуляции

а – модулирующие импульсы; б − зондирующие импульсы

Рассмотрим работу простейшей импульсной дальномерной РЛС.

Рис. 4.Структурная схема простейшей импульсной РЛС (дальномера)

В РЛС используется одна антенна как для передачи, так и для приема. Импульсный передатчик вырабатывает радиоимпульс длительностью τ и, который через антенный переключатель (переключатель «прием-передача») попадает в антенну и излучается. Приемник в этот момент отключается на время τ и от антенны и только часть энергии импульса (прямой сигнал) «просачивается» на вход приемника.

Отраженные импульсы, воспринимаемые антенной, через тот же антенный переключатель в паузах между зондирующими импульсами поступают в приемник.

Время запаздывания t з отраженного импульса относительно зондирующего (характеризующего начальный отсчет времени) измеряется с помощью оконечного устройства, например визуального индикатора.

Рис. 5. Временное положение отраженного импульса при отсутствии шумов

Время запаздывания отраженного импульса

,

где D - расстояние между РЛС и целью;

- скорость распространения радиоволн.

Таким образом, дальность до цели:

,

для этого достаточно измерить время запаздывания τ з.

Определение дальности наиболее просто осуществляется с помощью электронно-лучевого индикатора с амплитудной отметкой цели. Для этого с помощью горизонтально отклоняющего напряжения пилообразной формы производится периодическая развертка луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с постоянной скоростью, т. е. создается линейная шкала времени, которую можно проградуировать в единицах дальности. Такая развертка называется временной или разверткой дальности.

Рис. 6. Измерение времени запаздывания с помощью ЭЛТ