Материал: Устройства локации и навигации

Помехоустойчивость повышается и за счет использования многоканальных станций с разносом частот каналов, например блок-схема рис. 5 (канала А, В, С с разносом частот 10 100 МГц на f_н0 = =3 000 МГц).

Рис. 5

Здесь три передатчика работают на одну антенну, и полный цикл излучения состоит из трех импульсов (по одному от каждого передатчика) длительностью по 2 мкс каждый и с интервалом в 1 мкс.

Отраженные от цели сигналы принимаются отдельными приемниками, видеоимпульсы с выходов которых через линии задержки (ЛЗ осуществляют их синхронизацию по времени) поступают в коммутирующее устройство. Результирующий сигнал поступает на индикатор и в систему выработки координат. При отсутствии активных помех производится непосредственное сложение отраженных сигналов и максимальная дальность R_макс возрастает на 35% (т.е. в 3^0,25 = 1,35 раза). При наличии помех можно улучшить отношение сигнал/шум путем использования различных сочетаний сигналов разных каналов (так, сочетания U = U_AU_B + U_BU_C + U_CU_А или U = (U_A + U_B) (U_B +U_C) (U_C + U_А) позволяют автоматически выявлять и отсоединять каналы с помехами в устройствах обработки информации). В таких системах (которые называются многоканальными РЛС), кроме того, заметно снижается влияние флуктуации отраженного сигнала, даже при работе с общим передатчиком (т.е. на одной f_н).

Как видно из рассмотрения методов повышения помехоустойчивости, они идентичны методам увеличения максимальной дальности действия РЛС, поэтому относительно большую помехоустойчивость имеют станции с большей энергией импульса, чувствительностью приемника и более узкой диаграммой направленности антенны.

Значительная группа методов повышения помехоустойчивости основана на реализации идеи оптимальной фильтрации, позволяющей предельно снизить требуемый коэффициент отражения. Сущность этих методов сводится к конструированию приемного тракта, представляющего собой оптимальный фильтр, т.е. устройство, обеспечивающее на выходе наибольшее отношение сигнал/шум.

Если U(t) =

то, проходя через цепь (состоящую из интегратора, линии задержки и вычитающего устройства рис. 6), одиночный импульс с = Т, получим отклик треугольной формы с длительностью при основании 2Т, при этом эффективная длительность отклика фильтра равна Т.

Рис. 6

Максимальное значение отклика в момент окончания входного воздействия пропорционально энергии сигнала. В качестве интегратора обычно используется колебательный LС-контур либо кварцевые резонаторы, передаточная функция которых приближенно реализует функцию

.

Передаточная функция ЛЗ равна

.

Передаточная функция всего фильтра с точностью до постоянного множителя Сехрj(T₀) повторяет сопряженный спектр сигнала

электромагнитный радиолокатор навигация

. (3)

Фазовый множитель ехрj(₀Т₀) имеет постоянную величину и должен быть скомпенсирован с помощью фазовращателя (т.к. ₀ может меняться, то необходимо контролировать фазовращатель).

Перед оптимальным фильтром не ставится задача сохранения формы полезного сигнала, а только лишь достижения наибольшего отношения сигнал/шум. Поэтому независимо от фазовых соотношений между гармоническими составляющими входного сигнала на выходе фильтра все гармоники должны быть синфазны. Иначе говоря, гармонические составляющие выходного сигнала должны одновременно достигать амплитудных значений одной и той же полярности. Это возможно лишь в том случае, если фазочастотная характеристика оптимального фильтра будет повторять фазовую характеристику спектра передаваемого сигнала, но с противоположным знаком.

Одинаковым ФЧХ реальных устройств (независимо от знака) соответствуют одинаковые АЧХ. Поэтому АЧХ оптимального фильтра повторяет форму амплитудной характеристики спектра сигнала S(). Очевидно, что оптимальный фильтр с определенными ЧХ пригоден только для передачи импульсов одной конкретной формы.

Отраженные импульсы большей частью близки к прямоугольным. Оптимальный фильтр, предназначенный для передачи одиночного импульса прямоугольной формы, должен иметь непрерывную АЧХ, подобную спектру одиночного импульса (рис. 7, а). Особый интерес представляет АЧХ фильтра, предназначенного для передачи небольшой серии (пачки) отраженных импульсов. На рис. 7, б приведен вид главных лепестков частотного спектра для пачки из N импульсов. Такую же форму должна иметь АЧХ фильтра. По форме ЧХ подобные фильтры называют гребенчатыми.

Пунктиром на рис. 7, б показан энергетический частотный спектр флуктуационных шумов. Из рисунка видна причина подавления шумов при сравнительно малых искажениях сигнала. Спектр сигнала совпадает с полосами прозрачности фильтра. В то же время спектр шума, равномерно распределенный по частоте, в значительной своей части не попадает в узкие полосы прозрачности фильтра.

а

б

Рис. 7

Степень подавления шумов определяется сужением суммарной полосы прозрачности фильтра по сравнению с полосой пропускания обычного полосового фильтра. По ширине каждой составляющей (кроме первой), равной 2/(Т_пN), и числу составляющих (до первого перехода огибающей через нуль), равному скважности Q=T_п/_и, получаем суммарную полосу пропускания оптимального фильтра 2/(N_и).

Поскольку полоса пропускания обычного полосового фильтра f = 1/_и, то видно, что применение гребенчатого фильтра позволяет ослабить шума в N/2 раза. Этим обеспечивается возможность выделения отраженных сигналов, лежащих ниже уровня шумов.

Для реализации передаточной функции, соответствующей пачке импульсов, можно использовать N 1 задерживающих устройств и сумматор рис. 8, при N значительной величины сумматор труднореализуем, поэтому чаще используют схему, приведенную на рис. 9.

Первый импульс пачки поступает с выхода сумматора через цепь обратной связи на его вход с задержкой Т_п, в этот момент на вход сумматора поступает второй импульс и суммируется с первым (задержанным), в следующий период эта сумма складывается с третьим и т.д.

Рис. 8

Так все импульсы суммируются и в дальнейшем суммарный импульс будет повторяться с периодом Т_п. Затем на вычитающем устройстве производится вычитание незадержанной и задержанной на время NТ_п последовательностей. В результате отклик гребенчатого фильтра будет представлять пачку импульсов длительностью (2N 1) T_п.

Рис. 9

Существуют различные технические реализации методов построения приемных устройств, обеспечивающих фильтрацию полезных сигналов, близкую к оптимальной. К ним относится корреляционный прием, оптимальная фильтрация одиночного импульса с последующим синхронным интегрированием и др.

Выше было отмечено, что относительно большую помехоустойчивость имеют станции с большей чувствительностью приемника. Рассмотрим один метод повышения этого параметра - метод «сжатия импульса».

Понятно, что при данном значении максимальной импульсной мощности Р_макс увеличение энергии в импульсе возможно лишь за счет увеличения его длительности _и. Однако это ухудшает разрешающую способность по дальности.

При использовании метода «сжатия импульсов» передатчик генерирует импульс сравнительно большой длительности (_и1), модулированный по частоте или по фазе. (Благодаря большой _и удается от различных СВЧ-приборов получить наибольшую допустимую среднюю мощность).

Затем происходит сжатие принимаемых импульсов до нужной длительности (_и2) с соответствующим увеличением максимальной мощности в импульсе. Фильтр сжатия, на который поступает импульс длительности _и1, представляет собой схему задержки.

Рис. 10

На рис. 10 приведена требуемая зависимость времени задержки фильтра от частоты для случая частотной модуляции импульсов передатчика. Время задержки фильтра изменяется прямопропорционально генерируемой частоте. В результате передний фронт импульса, имеющий частоту f_{и макс}, задерживается на t_{зад.макс}, а задний на t_{зад.мин}. Таким образом, происходит сжатие на величину t = t_{зад.макс} t_{зад.мин}. Полагая, что потери в фильтре отсутствуют, получаем прежнюю энергию в импульсе:

_и2 Р_макс2 = _и1 Р_макс (4)

Максимальная мощность «сжатого» импульса возрастает в _и1/_и2 раз. Форма импульса на выходе фильтра отличается от прямоугольной.

Дальнейшее повышение чувствительности приемника достигается применением новых типов низкошумящих усилителей (параметрических, которые имеют коэффициент шума К_ш = 0,4 3 дБ, а при охлаждении до температуры жидкого азота еще более низкий).

Структурная схема радиолокатора

Исходя из описанных выше задач локации созданы различные схемы РЛС. Работу типового импульсного РЛ (в передатчике которого применен магнетронный генератор) можно рассмотреть на примере схемы, приведенной на рис. 11:

синхронизатор - генерирует последовательность времязадающих импульсов с частотой, равной частоте повторения импульсов. Эти импульсы включают модулятор и начало развертки индикатора;

Рис. 1

модулятор - управляет мощным генератором - передатчиком, который вырабатывает прямоугольный видеоимпульс, включающий магнетрон на время, равное его длительности _и;

передатчик - это может быть магнетрон либо другой активный прибор, способный генерировать синусоидальные колебания требуемой частоты и амплитуды, причем вырабатываемый СВЧ-радиоимпульс (на каждый сигнал модулятора) должен иметь достаточную крутизну фронтов и длительность задаваемую модулятором. Для типового РЛ, предназначенного для обнаружения обычного самолета на дальности 200 - 400 км, характерны типовые мощности 1 - 10 МВт, длительность импульса несколько микросекунд и частота повторения импульсов - несколько сот импульсов в секунду f_п.

Модулированный СВЧ-радиоимпульс, генерируемый передатчиком, канализируется по передающему тракту к антенне, которая излучает его в пространство. Обычно, как было отмечено ранее, для передачи и приема применяется общая антенна. На время передачи приемник отключается с помощью быстродействующего переключателя (для предотвращения повреждения большой мощностью). После излучения зондирующего импульса переключатель защиты приемника снова присоединяет приемник к антенне.

Во время приема переключатель блокировки передатчика, не оказывающий влияния на передачу сигнала от передатчика к антенне в течение передающей части рабочего цикла станции, обеспечивает канализацию принятого сигнала к приемнику. При отсутствии переключателя блокировки передатчика часть принятой мощности рассеивалась бы в передатчике и будет потерянной. Переключатели защиты приемника и передатчика вместе образуют антенный переключатель. В РЛС с раздельными антеннами он может отсутствовать.

РЛ-приемник обычно супергетеродинный. В качестве УВЧ, являющегося первым каскадом приемника, может служить малошумящий параметрический усилитель. В РЛС сантиметрового диапазона УВЧ обычно отсутствует, а вместо него стоит смеситель. С помощью смесителя и гетеродина СВЧ-сигнал преобразуется в сигнал ПЧ, так как в этом диапазоне легче сконструировать узкополосный усилитель с высоким коэффициентом усиления. В типовом усилителе ПЧ средняя промежуточная частота обычно составляет 30 или 60 МГц, а ширина полосы пропускания 1 или 2 МГц. Огибающая импульсной модуляции СВЧ-колебаний выделяется детектором и усиливается видеоусилителем до уровня, необходимого для работы индикатора (ЭЛТ). В индикаторный блок подаются также синхронизирующие импульсы.