§ 16.3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ МНОГИХ ОБЪЕКТОВ

При наличии в зоне облучения антенны РЛС нескольких объектов, находящихся на различных дальностях движущихся с различными скоростями, на вход. приемника поступает спектр частот, составляющие которого определяются дальностями и скоростями объектов. Для обнаружения объектов и измерения их дальностей и скоростей необходимо произвести анализ спектра частот принимаемого сигнала. Для анализа используют анализаторы спектра как параллельного, так и последовательного типа.

Анализатор параллельного типа имеет набор фильтров, частоты настройки которых установлены с шагом пррядка полосы пропускания фильтра , выбираемой в соответствии с заданной точностью и разрешающей способностью по дальности; число фильтров определяется диапазоном анализируемых частот биений .

В случае неподвижных или медленно движущихся объектов доплеровским приращением частоты можно пренебречь и считать, что спектр содержит только дальностные составляющие. Тогда диапазон анализируемых частот задается зоной обзора по дальности . Необходимое число фильтров

где — заданное значение разрешаемого расстояния. Имея в виду, что линии спектра биений расположены на оси частот в точках, кратных частоте модуляции , желательно центральные частоты настройки фильтров совместить с линиями спектра. В этом случае при полосе фильтра заданный диапазон анализа будет перекрыт при числе фильтров . Таким образом, при значительной зоне обзора по дальности и высокой разрешающей способности дальномера требуется большое число фильтров. Поэтому, несмотря на достоинство параллельного анализатора, заключающееся в быстроте анализа (время анализа ), в обзорных ЧМ-системах широко применяют последовательные анализаторы. Известны последовательные анализаторы с перестраиваемыми и неперестраиваемыми фильтрами. В частотных дальномерах чаще используют последние. При этом фильтр настроен на фиксированную частоту а заданный диапазон частот биений последовательно просматривается (например, на экране ЭЛТ) за счет изменения частоты гетеродина, частоты модуляции или девиации частоты. Последние два случая основаны на использовании условия

(16.9)

С помощью схемы управления или периодически меняются в пределах, обеспечивающих последовательный анализ всего заданного диапазона дальностей.

Переходя к частотным системам с обзором по дальности, необходимо рассмотреть некоторые особенности спектра частот принимаемого сигнала.

Если время наблюдения значительно превышает период модуляции , то частотный спектр биений имеет дискретный характер.

Рис. 16.4

Частоты составляющих спектра биений кратны частоте модуляции , а их амплитуды изменяются по закону огибающей спектра одиночного пакета колебаний, длительность которого определяется значением и временем задержки отраженного сигнала .

Рассмотрим, например, спектр биений сигнала для дальномера с НЛЧМ. В соответствии с рис. 16.4 преобразованный сигнал разбивается на две группы дальностных частот биений (для простоты будем считать доплеровское смещение частоты отсутствующим, т. е. . Пакет биений на основной частоте имеет длительность , на частоте — -длительность . Полагая, что для ЧМ-дальномера выполняется условие во всем диапазоне изменения дальностей, можно ограничиться анализом основного спектра частот , так как более высокочастотные составляющие спектра подавлены фильтром нижних частот. Поскольку пакеты биений повторяются с частотой , спектр биений будет линейчатым с расстоянием между линиями спектра равным , а огибающая спектра имеет форму огибающей спектра прямоугольного импульса длительностью , т. е.

Так как первые нули функции расположены в точках , то ширина основного лепестка огибающей спектра (по нулям) . Эта величина и будет характеризовать возможность разделения спектров двух смещенных по дальности объектов:

(16.11)

Из этого соотношения можно найти разрешаемое ЧМ-дальномером расстояние:

При выражение для соответствует формуле(16.5).

Таким образом, разрешающая способность ЧМ-дальномера определяется девиацией частоты , т. е. шириной спектра излучаемого сигнала, что полностью соответствует общей теории сигналов.

Для дальномера с СЛЧМ полученные результаты сохраняются, но отсчеты дальности при том же значении снимают в два раза чаще. Кроме того, применение СЛЧМ позволяет разделить дальностное и доплеровское приращения частоты при движущихся объектах, что уже обсуждалось ранее.

Следует заметить, что от значения зависит положение максимума огибающей спектра относительно линий спектра, что может сказаться на точности измерения . Однако при выполнении условия влияние смещения невелико и можно не учитывать.

В случае СЛЧМ при увеличении дальности объектов D зоны обращения (провалы ) расширяются, а зоны постоянной частоты биений сокращаются, что приводит к расширению огибающей спектра и снижению точности и разрешающей способности дальномера. Отсюда очевидна непригодность нелинейной модуляции частоты (например, ГЧМ) в системах с обзором по дальности, так как при этом частота биений меняется при неизменной дальности объектов, что исключает однозначное измерение их дальности и разрешение по дальности.

Требования, предъявляемые к линейности модуляции, достаточно высоки. Так, если диапазон анализа , а число разрешаемых дискретных значений частот равно N, то для однозначности отсчета каждая из частот должна фиксироваться с погрешностью, не превышающей , т. е. относительная погрешность не более . Например, при нелинейность модуляции не должна, превышать , что является достаточно жестким требованием.

Анализатор спектра и индикатор могут существенно ухудшить разрешающую способность, заданную параметрами излучаемого сигнала. Разрешающая способность по дальности снижается при выборе полосы фильтра больше значения , рассчитываемого по (16.11). Кроме того, сужение полосы фильтра приводит к увеличению числа фильтров параллельного анализатора или увеличению времени анализа при использовании последовательного анализатора спектра.

При параллельном анализе время анализа не превышает длительности пакета анализируемый колебаний, поскольку за это время процесс установления колебаний в фильтре должен закончиться. Таким образом, время параллельного анализа не превышает значения при НЛЧМ и при СЛЧМ. При последовательном анализе это время в N раз больше (—число элементов разрешения по дальности).

Большое число фильтров, необходимое для параллельного анализа при большом числе элементов разрешения, препятствовало его широкому применению при аналоговой реализации. В настоящее время возможно решение этой задачи цифровыми методами, например на основе БПФ, осуществляемого процессором после аналого-цифрового преобразования спектра биений с помощью АЦП. При этом процессор должен иметь достаточное быстродействие и память для обработки принимаемого сигнала в реальном времени.

При движении объектов линии спектра биений смещаются пропорционально радиальной скорости объектов. Как указывалось, дальностное и скоростное смещения частоты могут быть разделены и измерены при использовании СЛЧМ. В этом случае линии спектра биений раздваиваются, причем частотный интервал между смещенными линиями равен удвоенному значению доплеровской частоты сигнала соответствующего объекта.

Сравнивая достоинства и недостатки частотного и импульсного методов измерения дальности, следует отметить более сложное решение задачи радиолокационного наблюдения многих объектов частотным методом, в частности трудность обеспечения необходимой для этого высокой линейности модуляции, эффективной развязки приемного и передающего тракта частотной РЛС.

В то же время частотный метод позволяет при малой пиковой мощности излучаемого сигнала получить высокую точность и разрешающую способность по дальности, дает возможность измерения малых дальностей. Преимущества частотного метода особенно ощутимы при измерении дальности и скорости одного объекта на небольших расстояниях, что и определило широкое применение частотных дальномеров для измерения высоты летательных или космических аппаратов над поверхностью Земли или другой планеты. В радиовысотомерах закон модуляции частоты может отличаться от линейного, что упрощает создание аппаратуры.

Однако при использовании частотного дальномера для измерения высоты должны учитываться некоторые особенности отраженных сигналов, которые рассматриваются далее.