ГЛАВА 18. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

§ 18.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Для измерения угловых координат в радиолокации и радионавигации используется радиопеленгование, т. е. определение направления на источник принимаемого радиосигнала.

Зависимость напряжения принимаемого радиосигнала от направления прихода радиоволн, заданного углами и в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно представить выражением

где — время задержки сигнала, пропорциональное расстоянию от источника сигнала до приемной антенны; — частота сигнала; — фаза колебаний радиосигнала; — функции, описывающие ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Таким образом, для определения направления прихода радиоволн можно непосредственно использовать зависимость амплитуды принимаемого сигнала от отклонения оси ДНА от направления на источник радиосигнала, выражаемую функциями и . Такой метод пеленгования называется амплитудным.

При приеме сигнала на две или несколько разнесенных в пространстве антенн фазовый сдвиг сигналов, возбуждаемых в антеннах, зависит от направления прихода радиоволн. Метод определения направления измерением фазовых сдвигов сигналов в антеннах называют фазовым. Применяются также комбинированные амплитудно-фазовые методы пеленгования.

При частотной модуляции сигнала возможно использование и частотного метода определения направления, который иногда применяется совместно с амплитудным для повышения точности и разрешающей способности РЛС по угловым координатам.

Рассмотрим кратко методы пеленгования, для упрощения предполагая, что источник сигнала и антенна приемника находятся в одной (горизонтальной) плоскости.

Рис. 18.1

Фазовые методы основаны на измерении разности фаз колебаний, принимаемых двумя антеннами, разнесенными в пространстве (радиопеленгатор). Прием может осуществляться и на одну антенну, но тогда сигнал должен излучаться разнесенными антеннами (фазовый радиомаяк).

Проанализируем пеленгование объекта фазовым методом для двух ненаправленных приемных антенн и (рис. 18.1). Пусть расстояние между антеннами, называемое базой, равно d, а пеленгуемый объект удален от центра базы на расстояние . В этом случае направления прихода сигналов от объекта к антеннам и можно считать параллельными. При этом разность расстояний , где — угол между направлением на объект и нормалью к базе, проходящей через ее середину. Зная базу и измеряя тем или иным способом разность расстояний можно найти направление на пеленгуемый объект .

При фазовом методе измеряется разность фаз колебаний, возбуждаемых в антеннах и . Если длина волны принимаемых колебаний равна , то .

При применении в качестве фазочувствительного элемента фазового детектора напряжение на его выходе

где — амплитуда сигнала на входе детектора.

Для исключения влияния неизвестной амплитуды вводят эффективную АРУ или ограничение сигнала, благодаря чему напряжение на входе детектора можно считать постоянным. Тогда выражение для можно записать в виде

Так как косинус — функция четная, то знак напряжения на выходе фазового детектора не зависит от знака отклонения оси антенны от направления на объект. Для устранения этого недостатка в один из приемных каналов вводят цепь сдвига фазы на , вследствие чего зависимость приобретает вид дискриминационной характеристики:

При малых значениях а зависимость имеет приближенно линейный характер:

Таким образом, по напряжению на выходе фазового детектора можно найти значение и знак угла рассогласования .

Зависимость нормированного напряжения рассогласования от угла рассогласования а называется пеленгационной характеристикой угломера.

Ее производную при называют крутизной пеленгационной характеристики или чувствительностью пеленгования :

Таким образом, чувствительность, а следовательно, и точность пеленгования растут с увеличением отношения . Однако при появляется неоднозначность измерения угла, что следует из выражения (18.3). Для исключения неоднозначности применяют (так же как в фазовых дальномерных системах) нескольких шкал, т. е. проводят измерения при различных отношениях .

Необходимо подчеркнуть, что рассмотренный фазовый угломер с ненаправленными антеннами не обладает разрешающей способностью по углу, поскольку два или несколько источников сигнала, расположенных на различных направлениях, создадут в антеннах единый результирующий сигнал (если они неразделимы по другим параметрам), что исключает возможность их раздельного наблюдения и измерения пеленгов. Для разрешения сигналов по углу необходимы антенны с достаточно узкой амплитудной характеристикой направленности.

Для измерения азимута и угла места фазовый радиопеленгатор должен иметь две антенн с взаимно перпендикулярными базами, расположенными в горизонтальной плоскости. Измерение разности фаз первой и второй пары антенн и позволяет найти и :

Если база первой пары совпадает с направлением север-юг, а второй — восток-запад, то угол будет истинным азимутом.

Для импульсных сигналов при многоканальной схеме обработки можно определить направление в течение одного импульса, поэтому такие угломеры называют моноимпулъсиыми.

В моноимпульсных системах, которые широко применяются в радиолокации (подробнее см. § 18.6), используют как фазовый, так и амплитудный методы пеленгования.

Получили распространение также фазовые радиопеленгаторы, в которых изменение фазы сигнала вызвано эффектом Доплера. Простейший пеленгатор такого типа имеет ненаправленную в горизонтальной плоскости антенну А, которая движется с угловой скоростью по окружности радиусом вокруг центральной антенны . Поскольку при движении антенны ее расстояние до источника излучения меняется с периодом , возникает эффект Доплера, вызывающий фазовую модуляцию ЭДС, наводимой в антенне по закону

где — индекс фазовой модуляции; — пеленг.

Таким образом, информация о пеленге заключена в фазе модулирующего колебания, которое может быть выделено при сравнении сигнала антенн и в фазовом детекторе.

При больших радиусах вращение антенн с требуемой угловой скоростью затруднительно и вместо одной движущейся антенны несколько неподвижных антенн располагается на окружности радиусом и поочередно подключается к входу приемника пеленгатора. В этом случае непрерывная модуляционная функция заменяется рядом ее дискретных значений. На основе теоремы Котельникова для точного воспроизведения непрерывной функции расстояние между соседними антеннами, расположенными по окружности, не должно превышать половины длииы волны несущих колебаний принимаемого сигнала.

Применение эффекта Доплера возможно и в радиомаячных системах, в которых с помощью вращающейся антенны или ряда неподвижных коммутируемых антенн фаза излучаемого сигнала модулируется и параметры модуляции несут информацию об обратном пеленге объекта, извлекаемую при обработке сигнала, принимаемого приемоиндикатором на объекте.

При увеличении радиуса пропорционально растет девиация частоты излучаемых доплеровским маяком колебаний, что позволяет повысить помехоустойчивость системы и, в частности, уменьшить влияние на точность пеленгования отражений от местных предметов.

Амплитудные методы пеленгования. При пеленговании с помощью двух разнесенных ненаправленных антенн (рис. 18.1) могут быть использованы не только фазовые, но и амплитудные соотношения. Комплексные амплитуды сигналов на выходах и можно записать в виде

Суммарный сигнал

дает возможность определить направление по максимуму его амплитуды (метод максимума).

Из выражения (18.9) очевидны следующие недостатки метода максимума: низкая пеленгационная чувствительность, поскольку пеленгование ведется в области максимума косинусоидальной функции, где ее крутизна минимальна; трудность выявления стороны уклонения оси антенной системы от направления на объект; зависимость амплитуды суммарного сигнала не только от угла отклонения , но и от неизвестной амплитуды принимаемых сигналов.

Чувствительность пеленгования резко повышается для разностного сигнала:

(18.10)

Момент пеленга соответствует минимальной амплитуде сигнала (в данном случае равной нулю), поэтому такой способ пеленгования называется методом минимума.

Метод минимума также обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что а области пеленга напряжение разностного сигнала , что затрудняет его наблюдение и тем более использование для измерения дальности объекта при наличии шумов. Последнее особенно недопустимо применительно к РЛС, работа которых основана на приеме слабых отраженных сигналов. Поэтому метод минимума применяют в радиопеленгаторах с рамочными антеннами, противоположные стороны которых (выполняющие функции антенн и включены встречно, благодаря чему на выходе рамки образуется разностный сигнал. В случае радиопеленгатора принимается сильный сигнал радиомаяка. Это обеспечивает в области пеленга достаточное отношение сигнал/шум.

Отношение разностного сигнала к суммарному задает пеленгационную характеристику вида

(18.11)

Такая характеристика позволяет исключить влияние меняющейся амплптуды входных сигналов, определить сторону уклонения (тангенс — функция нечетная) и обеспечить высокую точность пеленгования, так как крутизна пеленгационной характеристики в рабочей области может быть большой: . Кроме того наличие суммарного сигнала позволяет наблюдать объект на экране индикатора в момент пеленгования и измерить его дальность.

Описанный метод пеленгования называется суммарно-разностным. Достоинства такого метода обеспечили его широкое применение в моноимпульсных РЛС.

В радиолокации кроме точности пеленгования большое значение имеет и угловая разрешающая способность, определяемая шириной ДНА , а в конечном счете относительным раскрывом антенны , поскольку .

Рис. 18.2

В РЛС, работающих в сантиметровом диапазоне волн, можно создать остронаправленные антенны, что при использовании амплитудных методов пеленгования обеспечивает большую точность в сочетании с высокой разрешающей способностью и однозначностью отсчета при измерении угловых координат.

Метод максимума применяется преимущественно в обзорных РЛС, диаграмма направленности которых при сканировании проходит направление на объект. Если объект имеет малую протяженность по сравнению с шириной диаграммы (малоразмерная или точечная цель), а отраженный или переизлученный сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала на входе приемника РЛС изменяется в соответствии с формой ДНА (рис. 18.2). Анализ огибающей принимаемого сигнала дает возможность зафиксировать максимум амплитуды сигнала и определить соответствующее ему направление на объект. Поэтому метод максимума часто называют методом анализа огибающей.

При работе по отраженному сигналу и применении одной антенны ДН влияет на формирование огибающей при излучении и приеме сигнала. Поэтому в качестве пеленгационной характеристики принимают результирующую диаграмму , равную произведению диаграммы при передаче и приеме сигнала, т. е. .

Для получения высокой точности пеленгования по максимуму сигнала необходимы очень узкие диаграммы, применение которых не всегда возможно как вследствие трудностей обеспечения необходимого относительного раскрыва антенны, так и из-за возрастания времени обзора заданного сектора пространства.

Значительно более высокую точность при той же ширине ДНА можно получить при использовании метода сравнения амплитуд, который чаще называют равносигнальным методом. При равносигнальном методе производится сравнение амплитуд сигналов, принимаемых в двух положениях ДНА (рис. 18.3). Если направление на объект совпадает с линией, проходящей через точку пересечения диаграмм (равносигнальное направление), то амплитуды сигналов, соответствующие первой и второй диаграммам, равны и разностный сигнал нулю. При наличии рассогласования между направлением на объект и равносигнальным направлением появляется разностный сигнал, значение и знак которого определяются значением и знаком .

Выбирая угол смещения диаграмм у таким, чтобы диаграммы пересекались в области высокой крутизны спада, можно получить высокую точность пеленгования.

Сравнение сигналов может осуществляться последовательно в двух положениях одной и той же диаграммы (одноканальная схема с последовательным сравнением) или для двух одновременно создаваемых и пересекающихся диаграмм (двухканальная схема с одновременным сравнением). Благодаря одновременности сравнения двухканальная схема позволяет исключить дополнительные погрешности, вызванные флуктуациями амплитуды принимаемых сигналов.

Комбинированные методы пеленговании. Из возможных комбинированных методов пеленгования наиболее часто используют амплитудно-фазовый, например в радиопеленгаторах, системах ближней навигации и моноимпульсных РЛС.

В системах ближней навигации применяют маяки с быстро вращающейся ДНА. Если ДНА маяка имеет форму кардиоиды и вращается с угловой скоростью , то создаваемый радиомаяком сигнал на входе приемоиндикатора на объекте будет промодулирован по амплитуде:

(18.12)

Напряжение огибающей изменяется с частотой модуляции Q и имеет фазу , жестко связанную с азимутом объекта.

Рис. 18.3

Рис. 18.4

Требуемый сигнал создается антенной системой, состоящей из трех антенн: центральной ненаправленной и ортогональных и , имеющих ДНА в виде восьмерок, сдвинутых на (рис. 18.4); .

Антенна возбуждается током несущей частоты , она создает поле напряженностью . Антенны и возбуждаются модулированными колебаниями с подавленной несущей и создают поля и . Так как антенны и одинаковы, то . При суммировании полей в месте расположения антенны приемоиндикатора на объекте напряженность результирующего поля

(18.13)

где — коэффициент модуляции. После детектирования сигнала выделяется напряжение , фаза которого связана с азимутом . Фаза этого напряжения измеряется в нриемоиндикаторе при его сравнении с опорным напряжением на частоте Q, которое передается с помощью частотной модуляции поднесущей, в свою очередь модулирующей по амплитуде колебания, излучаемые ненаправленной антенной .

В приемнике опорное напряжение частоты выделяется частотным детектором и подается на фазовый детектор, измеряющий фазу .

В РСБН используется также амплитудно-временной метод пеленгования, при котором в момент прохождения оси вращающейся ДНА начального (например, северного) направления ненаправленная антенна излучает специальный (северный) сигнал.

Рис. 18.5

При известной и постоянной скорости вращения ДНА в момент совмещения ее оси с направлением на объект (например, равносигнальным методом) обратный пеленг определяют по числу измерительных импульсов, излучаемых ненаправленной антенной маяка с интервалами, соответствующими, например, одному градусу поворота ДНА (одноградусные импульсы).

В последние годы нашел применение и частотный метод в сочетании с фазовым. Он использован в разрабатываемой микроволновой доплеровской системе посадки для измерения угла места самолета.

В глиссадных радиомаяках (ГРМ) используются две антенны (рис. 18.5): неподвижная и «перемещаемая» поступательно со скоростью V антенна . В действительности антенна также неподвижна, а эффект перемещения создается путем последовательного переключения излучателей , из которых состоит антенна . При этом напряженность поля, создаваемого антенной в месте приема (на самолете),

(18.14)

где - изменяющееся во времени расстояние (по высоте) между и угол места самолета. Частота колебаний отличается от частоты опорных колебаний , излучаемых антенной на доплеровское приращение , вызванное «перемещением» со скоростью .

Измерив доплеровское смещение частоты , определяют текущее значение угла места самолета . Поскольку смещение частоты измеряется относительно опорных колебаний, излучаемых антенной то доплеровское смещение частоты за счет собственной скорости самолета при измерении компенсируется и его можно не учитывать.