§ 18.6. МОНОИМПУЛЬСНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Принципиально устранение влияния флуктуаций амплитуды сигнала возможно при сравнении амплитуд или фаз сигналов, одновременно принятых по двум или нескольким каналам. При импульсном сигнале метод одновременного сравнения амплитуд и фаз сигналов на выходах каналов называется моноимпульсным, а РЛС и системы управления, в которых применяется этот метод - моноимпульсными.

Моноимпульсные системы, разработанные первоначально как средство устранения погрешностей СИН из-за флуктуаций амплитуды сигнала, обнаружили свойства, позволившие расширить область их применения. Оказалось, например, что моноимпульсная система позволяет одновременно измерять координаты нескольких объектов, находящихся в пределах ДНА. В моноимпульсной системе возможно также применение компенсационных методов подавления помех.

При определении направления в одной плоскости моноимпульсная система должна иметь две пересекающиеся и формируемые одновременно ДНА. Каждой из них соответствует свой приемно-усилительный канал. Сравнение амплитуды или фазы сигналов на выходе каналов позволяет найти направление на источник сигнала. Возможно также использование для формирования напряжения рассогласования суммы и разности сигналов, образуемых на выходе антенной системы и обрабатываемых двумя приемными каналами: суммарным и разностным. В зависимости от используемого метода сравнения сигналов и выделения сигнала рассогласования моноимпульсные системы имеют три разновидности: фазовые, амплитудные и суммарно-разностные.

Система с фазовой пеленгацией (рис. 18.12) имеет антенную систему с двумя разнесенными на некоторое расстояние фазовыми центрами.

Рис. 18.12

Практически два фазовых центра могут быть получены, например, с помощью двух разнесенных на расстояние d антенн. При этом оси диаграмм направленности параллельны. Если пеленгование производится в азимутальной плоскости, а ДНА одинаковы и описываются функциями и , то напряжения на выходе антенн первого и второго каналов

где - амплитуды сигналов; — коэффициент, зависящий от направленности антенны и мощности сигнала; — разность фаз сигналов в фазовых центрах и . При большом расстоянии до источника сигнала можно принять . Тогда .

Для получения пеленгационной характеристики с центральной симметрией во втором канале осуществляется дополнительный фазовый сдвиг на угол , с учетом которого напряжения на выходах приемных каналов

Сигналы с выходов каналов подаются на фазовый детектор. Для уменьшения влияния неодинаковости и нестабильности усиления каналов сигналы ограничиваются на уровне U. Напряжение на выходе фазового детектора

В режиме автоматического слежения за целью угол рассогласования мал и, следовательно, а

(18.32)

Полученная зависимость аналогична характеристике дискриминатора. Равносигнальному направлению, перпендикулярному базе и проходящему через ее середину, соответствует нулевое рассогласование . При неидентичных и нестабильных фазовых характеристиках каналов равносигнальное направление определяется с погрешностью, что является недостатком фазового метода.

Сигнал рассогласования с выхода ФД подается на следящую систему, которая непрерывно совмещает равносигнальную ось с направлением на сопровождаемый объект. При относительно небольших изменениях а слежение осуществляют путем изменения фазового сдвига в одном из каналов с помощью фазовращателя. При этом антенная система остается неподвижной, что позволяет снизить инерционность системы и обеспечить ее высокое быстродействие, точность и устойчивость. С помощью ферритового фазовращателя управляют фазовым сдвигом путем изменения магнитного поля. В этом случае из следящей системы исключаются двигатели, что способствует повышению ее быстродействия и дает возможность сделать систему компактной, легкой, надежной и экономичной, а также бесшумной.

Моноимпульсный измеритель с амплитудной пеленгацией (рис. 18.13) имеет антенну, формирующую две пересекающиеся ДНА, образующие равносигнальное направление, совпадающее с осью антенны.

Если направление на источник сигнала лежит в азимутальной плоскости и отклонено от равносигнальной оси на угол , то разность амплитуд сигналов и на входе приемных каналов является мерой угла рассогласования . Для уменьшения влияния изменений интенсивности принимаемого сигнала, а также коэффициента усиления каналов на значение измеряемого угла применяется вычитание сигналов, усиленных УПЧ с логарифмической амплитудой характеристикой и продетектированных линейным детектором. В этом случае мерой углового рассогласования является отношение амплитуд сигналов на выходе приемных каналов:

(18.33)

где — угол смещения первой и второй ДНА; - коэффициент передачи вычитающего устройства; — начальное напряжение на выходе логарифмического усилителя.

Выражение (18.33), описывающее пеленгационную характеристику системы, показывает, что ее крутизна зависит от крутизны ДНА в окрестности равносигнального направления, коэффициента передачи вычитающего устройства и характеристики логарифмического усилителя.

Рис. 18.14

Таким образом, зависимость измеряемого угла от интенсивности принимаемого сигнала при использовании логарифмических усилителей исключается. Однако неравенство коэффициентов усиления каналов и их нестабильность приводят к погрешностям в определении равносигнального направления, на что указывает зависимость сигнала рассогласования от начального напряжения на выходе усилителей.

Разность фаз сигналов и не влияет на , так как сигналы детектируются до вычитания логарифмов их амплитуд.

При автоматическом сопровождении совмещение равносигнальной оси с направлением на объект производится поворотом антенны с помощью следящей системы. Управление положением равносигнальной оси в небольших пределах также можно осуществлять изменяя коэффициент усиления одного из каналов обратно пропорционально напряжению сигнала рассогласования на выходе вычитающего устройства.

Суммарно-разностный вариант моноимпульсного измерителя является наиболее совершенным, так как теоретически позволяет исключить влияние изменений амплитуды и фазы принимаемых сигналов на стабильность равносигнального направления и пеленгационной характеристики и тем самым обеспечить наибольшую точность определения направления. При суммарно-разностной обработке сравниваются амплитуды сигналов. Для исключения влияния неравенства и нестабильности коэффициентов усиления каналов сравнение амплитуд производится до приемных каналов непосредственно после облучателей антенны с помощью высокочастотных мостовых схем, выполняемых на волноводах или коаксиальных линиях в зависимости от рабочего диапазона системы.

Принцип действия суммарно-разностного измерителя поясняет структурная схема на рис. 18.14. Излучатели и , симметрично смещенные относительно фокуса зеркала, как и в амплитудном варианте измерителя, подсоединены к точкам и суммарно-разностного моста. Расстояния и одинаковы и равны , поэтому при изучении импульса энергии высокочастотных колебаний от передатчика распределяется поровну между излучателями и , они работают синфазно, формируя суммарную ДНА (рис. 18.15, а).

В режиме приема сигналы, принятые излучателями и , приходят в точку с (см. рис. 18.14) моста с сохранением относительного фазового сдвига и суммируются.

Рис. 18.15

При этом зависимость суммарного напряжения от угла рассогласования аналогична суммарной ДНА при излучении.

В точке моста образуется разностное напряжение , так как сигналы приходят сюда со сдвигом на 180° (расстояние от до равно .) Суммарный и разностный сигналы поступают на входы суммарного и разностного приемных каналов. Зависимость отображает разностную диаграмму , представленную на рис. 18.15, б, в полярной и прямоугольной системах координат. Если объект отклоняется от равносигнального направления в сторону , то фаза разностного сигнала противоположна фазе суммарного, а если в сторону , то фазы сигналов и совпадают. При расположении объекта на равносигнальной оси . Таким образом, разностная диаграмма аналогична дискриминационной характеристике и характеризует значение и знак рассогласования.

Для выявления размера и знака рассогласования в разностном канале применяется фазовый детектор, в котором в качестве опорного используется сигнал на выходе УПЧ суммарного канала. После амплитудного детектирования суммарный сигнал позволяет также обнаружить объект и измерить его дальность.

Для исключения влияния изменения амплитуды сигнала на крутизну пеленгационной характеристики системы применяется быстродействующая АРУ, которая изменяет усиление каналов обратно пропорционально входному напряжению суммарного канала. При этом напряжение на выходе суммарного канала остается постоянным, а выходное напряжение разностного канала изменяется обратно пропорционально напряжению на входе суммарного канала .

Поскольку выходное напряжение ФД пропорционально среднему значению произведения исяирв напряжений на выходе суммарного и разностного каналов, при эффективной работе БАРУ напряжение рассогласования на выходе ФД оказывается пропорциональным отношению разностного и суммарного напряжений на входе каналов:

Таким образом, псленгационная характеристика суммарно-разностного измерителя определяется отношением разности сигналов к их сумме, вследствие чего неидентич-ность амплитудных характеристик влияет только на крутизну характеристики, но не на положение равносигнальной оси. Это существенно уменьшает влияние флуктуаций амплитуды сигналов. Фазовые нестабильности также мало влияют на точность, поскольку в системе производится сравнение амплитуды сигналов.

Большая стабильность равносигнального направления и связанная с этим высокая точность являются существенным достоинством суммарно-разностного метода, обеспечившим его широкое применение в моноимпульсных СИН.

При двумерном слежении по азимуту и углу места измеряются рассогласования по и . Антенна имеет четыре излучателя и и , симметрично смещенных относительно фокуса зеркала. В измерителе три суммарно-разностных моста: два — для образования разностных сигналов по и , третий — для формирования общего суммарного сигнала. Разностный выход третьего моста замкнут на поглощающую нагрузку. Приемное устройство содержит соответственно три приемных канала: суммарный и два разностных.

Выделенные на выходе фазовых детекторов напряжения рассогласования по и с помощью следящих управляют положением равносигнальной оси, непрерывно совмещая ее с направлением на сопровождаемый объект.

В заключение отметим, что моноимпульсная система может быть использована также для поиска цели и для одновременного измерения координат нескольких целей. В этих случаях сигнал на выходе углового дискриминатора является мерой угла отклонения направления на цель от равносигнальной оси. Для измерения угловых отклонений производится предварительная калибровка системы. Полученные данные могут быть введены в память ЭВМ при автоматических измерениях или использованы оператором при измерении углов с помощью индикатора.

При поиске целей и измерении угловых координат нескольких целей иногда необходимо их разрешение в пределах ДНА.

Такое разрешепие можно осуществить селектированием сигнальных импульсов по дальности, если объекты расположены на различных дальностях. При этом можно измерять угловые координаты каждого объекта по выходному напряжению ФД соответствующего канала.