Глава 11. Радиопеленгаторы

Радиопеленгаторы (РП) предназначены для определения направления прихода радиоволн. По методу получения информации о направлении на источник излучения РП делятся на амплитудные и фазовые, а по способу извлечения этой информации - на одноканапьные (последовательного типа) и многоканальные (моноимпульсные). Рассмотрим методы пеленгации и наиболее распространенные типы радиопеленгаторов.

11.1. Амплитудные радиопеленгаторы

В амплитудных одноканальных РП для определения направления на источник радиоволн используют направленные свойства антенн. Наиболее часто применяют метод максимума и равносигнапьный метод. Амплитудные РП измеряют угол рассогласования (в горизонтальной и вертикальной плоскостях равный или (30) между направлением на цель и опорным направлением Отсчет осуществляется по углу поворота антенны в момент совпадения с направлением на цель максимума ДНА или равносигнального направления.

Принцип действия РП, реализующих метод максимума. В рассматриваемых РП направление на цель отсчитывается по углу поворота ДНА антенны (рис. 11.1, а) в момент максимума напряжения отраженного сигнала на выходе приемника, когда максимум главного лепестка ДНА совпадает с направлением на источник излучения (точка Зависимость амплитуды выходного напряжения приемника от угла поворота антенны называется пеленгационной характеристикой. При линейной амплитудной характеристике приемника пеленгационная характеристика (рис. по форме совпадает с ДНА .

Следует отметить, что в зависимости от того работает ли антенна только на прием или и на прием и передачу, форма пеленгационной характеристики меняется.

Рис. 11.1. Схема амплитудного радиопеленгатора, реализующего метод максимума (а), и его пеленгационная характеристика (б)

Рис. 11.2. Огибающая пачки импульсов (а), структурная схема устройства фиксации начала и конца пачки (б) и сигналы в ее характерных точках (в)

Пеленгация методом максимума осуществляется в режиме обзора пространства ("на проходе"), когда луч антенны сканирует. Например, можно зафиксировать начало и конец пачки (или ее огибающей), а затем вычислить положение (координату ее середины (максимума). В этом случае с выхода приемника пачка видеоимпульсов с огибающей (рис. 11.2, а) поступает на квантователь (рис. 11.2, б), состоящий из порогового устройства и генератора стандартных импульсов Последний вырабатывает стандартный по форме и амплитуде импульс каждый раз, когда видеосигнал превышает порог Полученная таким образом прямоугольная пачка импульсов (рис. 11.2, в) подается на схемы запрета непосредственно и через устройство задержки на период повторения При этом на выходе верхней схемы запрета (рис. 11.2, б) выделяется первый импульс (начало пачки), а на нижней - последний (конец пачки). Положение максимума определяется соотношением

где координаты начала и конца пачки, отсчитанные на уровне угловая скорость сканирования антенны.

Можно зафиксировать момент совпадения максимума пачки с направлением на цель по переходу через нуль производной ее огибающей. производится при выполнении равенства

Сигналы с выхода приемника проходят квантователь стандартные импульсы с которого поступают на устройство фиксации центра пачки (рис. 11.3, а). Весовые коэффициенты выбирают в соответствии с формой огибающей пачки и ее первой производной, как показано на рис. 11.3, б. Схема запрета пропускает сигнал обнаружения с выхода порогового устройства только тогда, когда на запрещающем входе отсутствует сигнал. Это возможно при симметричном расположении импульсов пачки на отводах когда на нижнем сумматоре обеспечивается выполнение условия этом на верхнем сумматоре

Отсчет производится в момент окончания пачки. При этом возникает систематическая погрешность где длительность пачки. Эта погрешность учитывается при градуировке РП.

При фиксации момента максимума угловую координату цели можно отсчитывать в цифровом коде по сигналам датчиков угла поворота, установленных на валу антенны.

Рис. 11.3. Схема устройства фиксации максимума огибающей пачки импульсов принцип выбора весовых коэффициентов (б)

Датчик 1 (рис. 11.4) вырабатывает импульс каждый раз, когда максимум ДНА проходит через опорное направление (например, северное направление меридиана). Этот импульс сбрасывает показания счетчика и запускает триггер Схема И открывается, и импульсы с датчика 2, период повторения которых соответствует, например, одному градусу поворота ДНА, поступают на счетчик. Триггер возвращается в исходное состояние импульсом 60 из схемы рис. 11.3,а. Поэтому число поступивших на счетчик импульсов

Точность пеленгаторов, реализующих метод максимума, определяется шириной главного лепестка ДНА. Погрешность пеленгации тем меньше, чем уже ДНА и чем острее ее максимум. Если в РП угловая координата определяется "на проходе", т.е. без остановки антенны, то при импульсном сигнале и постоянной угловой скорости сканирования ДНА пеленгация методом максимума

Рис. 11.4. Структурная схема цифрового измерителя пеленга, использующего метод максимума

сводится к фиксации времени запаздывания максимума огибающей пачки сигналов, поэтому оценка пеленга цели при равна где оценка времени запаздывания максимума пачки относительно опорного импульса Погрешность где потенциальные точности измерения пеленга и запаздывания огибающей пачки соответственно. Если аппроксимировать ДНА выражением где ширина главного лепестка на уровне 0,46, то огибающая пачки имеет колоколообразную форму:

Здесь текущее время, отсчитываемое от момента пересечения максимумом ДНА опорного направления; запаздывание максимума огибающей отраженного сигнала; длительность огибающей на уровне 0,46. Для колоколообразного импульса откуда

Выражение для потенциальной точности оценки времени запаздывания в рассматриваемом случае принимает вид

Отсюда минимальное значение погрешности пеленгации

Учитывая, что ширина главного лепестка где

- коэффициент использования площади антенны, диаметр (апертура) антенны, получаем

При переходе к реальной форме ДНА необходимо учесть уменьшение отношения мощностей сигнала и помехи, введя коэффициент потерь Тогда, объединяя с коэффициентом учета потерь из-за аппроксимации ДНА, получаем относительное значение пеленгационной погрешности

Последнее соотношение может быть использовано для приближенной оценки точности пеленгации и при других аппроксимациях формы ДНА.

Принцип действия РП, реализующего равносигнальный метод. Определение угловых координат равносигнальным методом основано на сравнении амплитуд сигналов, полученных от одного и того же источника излучения двумя антеннами, ДНА которых пересекаются в пространстве, образуя равносигнальное направление РСН (рис. Антенны с диаграммами поочередно с периодом Тк подключаются к приемнику Одновременно выход подсоединяется то к одной, то к другой отклоняющей пластине ЭЛТ. Напряжение развертки по вертикали формируется генератором запускаемым импульсом синхронизатора (Синх). Равенство отклонений луча вправо и влево от линии развертки свидетельствует о нахождении цели на РСН. В момент достижения этого равенства с индикатора считывается значение угловой координаты источника излучения. Если РП работает в составе импульсного радиолокатора, то по положению отметки сигнала на экране ЭЛТ относительно начала развертки определяется дальность цели.

Рис. 11.5. Структурная схема радиопеленгатора, реализующего равносигнальный метод в декартовых координатах (б) и форма сигнала на входе приемника (в)

Напряжение на входе (рис. 11.5, в) из-за коммутации ДНА модулируется по амплитуде. Глубина AM при идентичных и симметричных ДНА

Разложение функции в степенной ряд по степеням в окрестности точки 60, соответствующей РСН, имеет вид

и подстановка полученных рядов в формулу (11.4) при пренебрежении высшими членами ряда ввиду их малости дает

где пеленгационная чувствительность (способность), измеряемая в единицах глубины модуляции на градус углового отклонения.

Таким образом, напряжение содержит необходимую для определения углового отклонения цели от РСН информацию: глубина амплитудной модуляции пропорциональна а фаза огибающей изменяется на обратную при изменении знака

Точность РП, реализующих равносигнальный метод, зависит от формы ДНА и уровня пересечения ДНА на равносигнальном направлении (т.е. от угла отклонения максимума ДНА от Из (11.5) следует: Поскольку

(см. рис. 11.5), то

Можно показать, что при любой аппроксимации ДНА пеленгационная чувствительность с учетом потерь аппроксимации и обработки равна тогда

При оптимальной обработке минимальная относительная погрешность, соответствующая потенциальной точности измерения угловой координаты.

Таким образом, точность определяется отношением мощностей сигнала и шума и значением пеленгационной чувствительности, которое зависит от следовательно, от выбора уровня пересечения диаграмм. Для увеличения необходимо увеличивать и уменьшать что достигается увеличением и уменьшением уровня пересечения, однако при уменьшении падает Поэтому обычно берут таким, чтобы пересечение диаграмм направленности по мощности происходило на уровне примерно 0,5.

Принцип действия следящего РП с коническим сканированием. Рассмотренная схема (см. рис. 11.5,а) позволяет определить только одну угловую координату, например азимут а. Когда требуется одновременно измерить две угловые координаты, РСН формируется

Рис. 11.6. Диаграммы, поясняющие принцип конического сканирования

вращением ДНА, отклоненной на от оптической оси рефлектора антенны (рис. 11.6,а). Максимум диаграммы смещается при механической или электрической дефокусировке облучателя. Во время работы РП диаграмма направленности вращается вокруг РСН. Такая реализация равносигнального метода называется коническим сканированием. При этом на входе приемника РП действует сигнал (рис. модулированный по амплитуде с частотой сканирования Глубина AM зависит от углового отклонения источника излучения от РСН (рис. 11.7), а фаза модуляции - от угла лежащего в плоскости, перпендикулярной РСН, и заключенного между опорным направлением (ось X) и направлением на проекцию источника излучения на эту плоскость (точка

Из рис. 11.7 следует

Когда что обеспечивается в режиме автосопровождения, можно считать, что Таким образом, азимут и угол места источника излучения можно выразить через угол путем формирования сигналов, пропорциональных

Рис. 11.7. Геометрические соотношения при коническом сканировании

При автоматическом сопровождении цели по направлению положение ДНА радиопеленгатора с коническим сканированием (рис. 11.8) однозначно связано с фазой опорного напряжения вырабатываемого генератором ГОН:

где амплитуда сигнала вводимая заранее начальная фаза.

При угле рассогласования огибающая импульсов на выходе приемника описывается выражением

Рис. 11.8. Структурная схема радиопеленгатора с коническим сканированием (а) и сигналы в ее характерных точках (б)

После детектора сигнала ошибки (ДСО) (пикового детектора) и полосового усилителя сигнала ошибки (УСО), настроенного на частоту сигнал

где сдвиг фаз в УСО, для компенсации которого в опорное напряжение вводится

Учитывая, что согласно и объединяя все постоянные величины в коэффициенте имеем

Напряжения на выходах фазовых детекторов каналов азимута и угла места пропорциональны разности фаз сигнала и опорных напряжений (ГОН):

Таким образом, при вращении ДНА с помощью привода сканирования в каналах азимута и угла места образуются управляющие напряжения значения и полярность которых зависят от угла отклонения цели от РСН в соответствующей плоскости. С помощью этих сигналов приводы антенны и поворачивают антенну по углам в положение, когда равны нулю.

Рис. 11.9. Огибающая (а) и спектр (б) сигнала на выходе приемника

Информация об угловом положении цели выделяется из последовательности видеоимпульсов (рис. 11.9, а), модулированных по амплитуде частотой сканирования и флуктуациями ЭПР цели. Спектр этого сигнала содержит компоненты частоты сканирования и спектральные полосы флуктуаций амплитуды (рис. 11.9, б). В тракте после детектора стоит настроенный на частоту фильтр. Для однозначной связи с информацией об угловом положении цели и минимума флуктуационных помех в полосе пропускания этого фильтра необходимо, чтобы