10.3. Импульсные радиодальномеры

Принцип действия импульсного РД. Зондирующий сигнал в импульсном РД (рис. 10.13) формируется ГРЧ, на который подаются импульсы модулятора или генератора импульсов. Синхронизатор (Синх) обеспечивает одновременность запуска модулятора и генератора пилообразного напряжения, создающего развертку на экране (ЭЛТ) в выходном устройстве (ВУ). Импульсы радиочастоты (зондирующий сигнал) через переключатель прием-передача (ППП) поступают в антенну и излучаются в пространство. Отраженные сигналы принимаются той же антенной и после усиления и преобразования в приемнике (Прм) направляются в аналоговое или цифровое выходное устройство (ВУ).

При использовании аналогового ВУ эти импульсы подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ для измерения времени На горизонтально

Рис. 10.13. Структурная схема импульсного радиодальномера с аналоговым ВУ

Рис. 10.14. Цифровой измеритель времени запаздывания

отклоняющие пластины ЭЛТ приходит пилообразное напряжение развертки от генератора пилы Импульсный генератор подсвета используется для включения яркости ЭЛТ только на время прямого хода развертки.

В современных импульсных РД используют цифровые ВУ (рис. 10.14).

Принцип действия импульсного РД с цифровым ВУ. В цифровых ВУ временной интервал преобразуется в цифровую форму (рис. 10.15). В момент запуска передатчика импульс синхронизатора (Синх) запускает триггер открывая схему И и разрешая прохождение счетных импульсов от на счетчик Триггер закрывается импульсом Отраженный сигнал с приемника (Прм) открывает схемы И, стоящие после счетчика, и разрешает считывание кода, записанного в за время Сброс счетчика и перевод триггера в исходное состояние выполняет следующий импульс синхронизатора. Схема измерения реализует разрешение целей по дальности, причем ее разрешающая способность и точность ограничены интервалом дискретизации по времени, т.е. периодом счетных импульсов Показания счетчика в соответствующем коде: Если цель точечная, то выбор точки отсчета на огибающей импульса зависит от отношения мощностей сигнала и шума При для повышения точности требуется оптимальная обработка сигнала, при которой форма выходного импульса совпадает с модулем корреляционного интеграла зондирующего сигнала (см. Следовательно, при точечной цели целесообразно вести отсчет в точке, соответствующей максимальному значению т.е. посередине отраженного сигнала. Если то оптимальной обработки не требуется, полосу пропускания приемника выбирают гораздо более широкой, чем при оптимальной обработке, и отраженный импульс на выходе системы обработки сохраняет форму огибающей зондирующего сигнала. При этом отсчитывают по переднему фронту импульса. Если цель протяженная, то также удобно отсчитывать по переднему фронту.

Рис. 10.15. Сигналы в характерных точках схемы рис. 10.14

Минимальная дальность дальнометрии, или "мертвая" зона, определяется качеством работы ППП. Обычно из-за неидеальной работы ППП антенна отключается от приемника не только на время зондирующего импульса но и на время восстановления исходного состояния переключателя твос (рис. 10.16, а). Поэтому

Рис. 10.16. Влияние на минимальную максимальную и измеряемые дальности и на разрешающую способность импульсного РД

Максимапьная дачьность дальнометрии определяется условием однозначного отсчета (рис. 10.16, б), т.е. необходимо, чтобы или Таким образом, целесообразно использовать низкие частоты повторения Однако уменьшение снижает пороговую мощность, так как, например, при обработке пачки из когерентных импульсов

где пороговое отношение сигнал/шум; спектральная плотность мощности шума.

Число импульсов в пачке

где ширина ДНА; - скорость ее сканирования.

Если заданная дальность обнаружения обеспечивается чувствительностью то

Обычно откуда

Объединяя требования к частоте повторения импульсов РД, получаем

Разрешающая способность импульсного РД (рис. 10.16, в)

Точность импульсных РД. При визуальном индикаторе, выполненном на ЭЛТ, отсчитываемый интервал времени между зондирующими и отраженными сигналами

где задержка синхронизации, т.е. разница между началом зондирующего импульса и моментом запуска развертки время запаздывания отраженного импульса в аппаратуре РД.

Тогда и относительная погрешность определения

Здесь первое слагаемое дает относительную погрешность отсчета времени запаздывания по индикатору РД. Нижняя граница этой погрешности определяется потенциальной точностью измерения времени запаздывания сигнала и при оптимальной обработке сигнала и отношении сигнал/шум где энергия сигнала, определяется по формулам

где среднеквадратическая ширина спектра сигнала.

Выражение (10.7) справедливо для сигнала с известной несущей частотой и случайной начальной фазой. При этом дальномерная погрешность

Если ввести масштаб изображения где расстояние до отраженного сигнала по шкале ЭЛТ; - скорость развертки, то

Здесь первое слагаемое погрешность отсчета, зависящая от диаметра пятна на экране ЭЛТ, длительности фронта импульса, скорости движения пятна и отношения мощности сигнала и шума; второе слагаемое нестабильность масштаба шкалы экрана ЭЛТ, влияние которой можно уменьшить, используя РД со стабилизацией масштаба или его калибровкой; третье слагаемое определяется нестабильностью взаимной синхронизации начала зондирующего импульса и начала развертки или шкалы отсчета ВУ. Для уменьшения влияния в РД используют специальный генератор пусковых импульсов - так называемый синхронизатор (см. рис. 10.13), управляющий работой всего РД, в том числе модулятора и измерителя времени. Для устранения необходимо использовать в модуляторе безынерционные, или так называемые «жесткие» электронные приборы; четвертое слагаемое характеризует непостоянство времени запаздывания в аппаратуре РД. Наибольший вклад в вносит приемное устройство, в котором непостоянство запаздывания сигнала связано с флуктуацией и изменением наклона фазочастотных характеристик. Для уменьшения влияния этого явления применяют параметрическую, температурную и электрическую стабилизации, а также герметизацию приемного устройства.

Принцип действия следящего импульсного РД. Для автоматического сопровождения целей по дальности служат ВУ со следящими измерителями времени (рис. 10.17). Временной дискриминатор (ВД) сравнивает временные положения отраженного импульса и селекторных импульсов или временные интервалы и в зависимости от величины разности вырабатывает сигнал ошибки - два биполярных импульса с разной при временном рассогласовании длительностью (рис. 10.18). Информация об х преобразуется экстраполятором в управляющее напряжение и подается на синтезатор задержки (Синт) (временной модулятор). Под воздействием С/упр синтезатор изменяет задержку селекторных импульсов. Равновесие в замкнутом кольце регулирования наступает при а, следовательно,

Рис. 10.17. Обобщенная структурная схема следящего измерителя времени ВУ импульсного РД

Рис. 10.18. Сигналы в различных точках РД на рис. 10.15

Рис. 10.19. Упрощенная структура временного дискриминатора (ВД) и экстраполятора (Э) (а); графики напряжений в точках 1 и 2 (б); схема синтезатора (в)

В этом режиме Временной дискриминатор (рис. 10.19,а) представляет собой две схемы И, на каждую из которых поданы отраженный сигнал и один из селекторных импульсов. Полярности снимаемых с дискриминатора сигналов совпадения импульсов противоположны.

Экстраполятор в простейшем случае - это интегрирующая цепочка. Процессы перезаряда емкости экстраполятора представлены на рис. 10.19, б.

Синтезатор представляет собой (рис. генератор селекторных импульсов запускаемый задержанным по отношению к импульсу синхронизатора сигналом с амплитудного компаратора В компараторе сравниваются уровни управляющего сигнала и быстро нарастающего пилообразного напряжения генератора запускаемого импульсами синхронизатора (Синх) (рис 10.19,в).

Кроме измерителя времени импульсного авто дальномера с двумя селекторными импульсами (см. рис. 10.15) известны измерители с одним селекторным импульсом, а также с дифференцированием отраженного импульса. Особенностью работы измерителя времени автодальномера является импульсный характер регулирования, что сказывается на условиях устойчивости замкнутой системы и характере переходных процессов.

Для работы представленного на рис. 10.17 следящего измерителя времени необходим предварительный поиск цели. В режиме поиска контакт реле схемы переключения режимов (рис. 10.20) находится в положении и схема

Рис. 10.20. Структурная схема следящего импульсного радиодальномера

Рис. 10.21. Иллюстрация работы синтезатора задержки селекторных импульсов

поиска (СП) с помощью экстраполятора формирует медленно нарастающее пилообразное напряжение поиска, которое вместо управляющего напряжения подается на синтезатор (Синт) и изменяет задержку селекторных импульсов (рис. 10.21). Схема захвата на которую приходят отраженные импульсы с приемника (Прм) и селекторные импульсы от синтезатора, переключает контакт реле в положение С и переводит РД в режим сопровождения при совпадении отраженного и селекторных импульсов (рис. 10.22).

Рис. 10.22. Сигналы в характерных точках схемы рис. 10.21

Скорость поиска выбирают такой, чтобы отсутствовал пропуск цели в двух соседних периодах повторения. При скорости поиска за время селекторные импульсы смещаются на интервал, меньший длительности импульса т.е. Однако при захвате по одному совпадению слишком велика вероятность ложного захвата шумового выброса.

На рис. 10.23 показана схема захвата, в которой эта вероятность сведена к минимуму. Сигнал совпадения отраженного и селекторных импульсов, прошедший через первое пороговое устройство запускает генератор стандартных импульсов работающий в ждущем режиме. Полученные таким образом стандартные импульсы подаются на накопитель совпадений в следующих подряд циклах повторения, где не больше числа импульсов в пачке. В результате накопления сигнал на выходе достигает уровня срабатывания а при случайном шумовом выборе сработать не сможет.

Для схемы захвата с накопителем необходимо, чтобы селекторные импульсы сместились не более чем на за периодов повторения: С учетом изменения при движении цели со скоростью окончательное условие выбора скорости поиска принимает вид

Рис. 10.23. Схема захвата импульсного следящего радиодальномера

Схема захвата должна иметь так называемую память, необходимую для удержания следящего РД в режиме сопровождения на время пропадания отраженного сигнала из-за его флуктуации. На рис. 10.24 показаны диаграммы движения селекторных импульсов при пропадании отраженного сигнала в следящем измерителе с астатизмом первого порядка и идеальным (1) и реальным (2) интеграторами в экстраполяторе.

Во избежание потерь времени на переход в режим поиска необходима "память по положению" Тпаы! (рис. 10.24,а) и "память по скорости" (рис. 10.24, б). Время памяти должно быть достаточным для удержания системы сопровождения в режиме слежения на время, большее интервала корреляции флуктуации отраженного сигнала.

Рис. 10.24. Диаграммы движения селекторных импульсов при пропадании отраженного сигнала

Принцип действия цифровых радиодальномеров. На рис. 10.25, а, б показана схема цифрового ВУ с отсчетом по центру отраженного импульса и с усреднением результатов измерений.

Рис. 10.25. Структурная схема цифрового измерителя времени при отсчете по центру импульса (а) и сигналы в ее характерных точках (б)

При отсчете по центру импульса используется схема (рис. 10.25 а), в которой сигнал с выхода приемника (Прм) поступает на дифференцирующую цепь, а с нее на схему фиксации перехода через нуль (СФПН), которая выдает стандартный импульс, отстоящий от импульса синхронизатора (Синх) на время . Триггер (Тр) запускается синхронизатором и возвращается в исходное состояние стандартным импульсом, поэтому длительность импульса триггера равна Этот импульс открывает схему И, через которую счетные импульсы с проходят на счетчик Число поступивших на счетных импульсов Результаты измерения за периодов повторения усредняются в схеме усреднения (СУ). Радиодальномер с таким измерителем времени определяет дальность до ближайшей цели.

Цифровым РД присуща специфическая погрешность дискретизации зависящая от периода следования счетных импульсов При автоматическом сопровождении в импульсных РД с помощью цифровых ВУ (рис. 10.26) сравниваются цифровые коды двух счетчиков первый из которых (реверсивный) работает по сигналам временного дискриминатора (ВД), а второй обновляет свой код каждый период повторения. Временной дискриминатор (ВД) состоит из двух схем И, на которые подаются стандартные импульсы с приемника (Прм) и селекторные импульсы от генератора (ГСИ). Сигналы со схем И через генераторы стандартных импульсов поступают на суммирующие и вьгчитающие входы Последний представляет собой экстраполятор следящего измерителя времени, накапливающий "положительные" и "отрицательные" единичные стандартные импульсы, которые поступают на его входы.

Синтезатор задержки () состоит из генератора счетных импульсов схемы И, триггера счетчика и схемы сравнения Схема И открывается импульсом триггера, фронт которого совпадает с импульсом синхронизатора (Синх) (а следовательно, с моментом излучения зондирующего сигнала), а конец - со стандартным импульсом с моментом приема отраженного сигнала. Код счетчика нарастает в пределах длительности импульса триггера, равного Интервал соответствует времени от начала импульса синхронизатора до момента совпадения кодов . В этот момент вырабатывает импульс, который запускает генераторы и формирующие два селекторных импульса, сбрасывает показания и останавливает Сопровождение начинается после введения в реверсивный счетчик сигнала захвата (кода дальности выбранной цели) со схемы целеуказания (или со схемы поиска).

Рис. 10.26. Структурная схема цифрового ВУ следящего импульсного РД