4. Угловое стробирование

Угловое стробирование обеспечивает повышение разрешающей способности и помехозащищенности угломерных устройств за счет управления их параметрами. Наиболее часто управление осуществляется размером апертуры основного лепестка, уровнем и формой боковых лепестков пеленгационной характеристики, а также величиной угла между экстремумами основного лепестка той же пеленгационной характеристики. Для этого чаще всего варьируются параметры устройств, участвующих в формировании пеленгационной характеристики: антенны, системы АРУ, элементов обработки сигналов и т. п.

Известны три способа углового стробирования [2, 101, 124, 161, 187, 214]. Первый способ основан на выборе целе сообразных параметров антенной системы. При втором способе обеспечивается устранение боковых лепестков пеленгационной характеристики, для чего используются известные схемы компенсаторов боковых лепестков (см. § 5.2). Третий способ дает возможность увеличить разрешающую способность путем включения различных нелинейных звеньев в структурную схему системы АСН и использования логических операций типа переключения для «срезания» вредной угловой информации.

Выбор параметров антенн. Классический способ повышения угловой разрешающей способности состоит в увеличении размера антенны или уменьшении длины волны

(в общем случае необходимо уменьшать Однако при заданной апертуре возможно изменение параметров и путем выбора угла между РСН и максимумами диаграммы направленности в системах АСН, использующих для пеленгации амплитудный способ сравнения сигналов (см. рис. 2.13).

Влияние параметров антенны на апертуру пеленгационной характеристики оценивается путем изучения семейства пеленгационных характеристик.

Для амплитудных моноимпульсных систем пеленгации пеленгационные характеристики описываются формулами [24]

где эквивалентный коэффициент передачи системы ; масштабный множитель.

Размер апертуры пеленгационной характеристики определяется из уравнения а угол при условии, что определяется максимум напряжения для основного лепестка пеленгационной характеристики при из выражения

Изучение семейства пеленгационных характеристик показывает, что при заданной диаграмме направленности размеры апертуры зависят от отношения На рис. 7.18 представлены зависимости параметров от отношения которые показывают, что максимум значения получается при Существенное сокращение размеров апертуры достигается при уменьшении параметра Если то наблюдается уменьшение что объясняется влиянием боковых лепестков диаграммы направленности.

Для фазовых систем АСН пеленгационная характеристика описывается выражением [24]

Рис. 7.18.

где расстояние между фазовыми центрами элементарных антенн.

При больших амплитудах сигнала (7.2.5) переходит в известное выражение

Из (7.2.6) получаем

где апертура антенны).

Следовательно, уменьшение при фазовых способах пеленгации может быть достигнуто уменьшением параметра

Анализ тонкой структуры пеленгационных характеристик (7.2.4) и (7.2.5) указывает на возможность уменьшения регулированием эквивалентного коэффициента передачи системы АРУ. Если изменяется от 1 до 100, то наблюдается линейная зависимость от при этом значение остается постоянным.

Угловое стробирование с помощью компенсаторов боковых лепестков. Рассмотрим возможности и особенности применения компенсаторов боковых лепестков в схемах АСН на примере моноимпульсных систем с суммарно-разностной обработкой сигналов.

Все известные схемы компенсаторов изменяют диаграмму направленности первичной антенны путем умножения ее на некоторый весовой множитель Результирующая диаграмма направленности описывается формулой

Для наиболее общей схемы моноимпульсной системы АСН суммарно-разностного типа сигнал разностного канала запишется в виде

где весовые функции элементарных антенн (в общем случае эти функции отражают амплитудные и фазовые диаграммы компенсирующих антенн); фазовый сдвиг в элементарных антеннах,

обусловленный смещением цел на угол относительно

Напряжение суммарного канала и? используется в системе АРУ для нормировки выходного сигнала. В интервале компенсации (в области боковых лепестков) это напряжение должно отличаться от нуля. Поэтому в суммарном канале для диаграмм направленности элементарных антенн формируются свои весовые функции с учетом чего получим напряжение суммарного канала

Коэффициенты усиления суммарного и разностного каналов в установившемся режиме равны

где

— амплитуда напряжения — значение

Полагая, что фазовый детектор выполняет операцию умножения входных напряжений и усреднения выходных сигналов, с учетом соотношений (7.2.9) — (7.2.12) находим следующую формулу для пеленгационной характеристики:

где

— фазовый сдвиг в фазовращателе разностного канала.

Рис. 7.19.

В частном случае, когда весовые функции для элементарных антенн одинаковы, т. е. выражение (7.2.13) упрощается и принимает вид

где

Полагая в получаем формулу для пеленгационной характеристики амплитудной моноимпульсной системы АСН

Выражение (7.2.15) соответствует случаю, когда компенсация боковых лепестков проводится изменением разностной и суммарной диаграмм направленности (рис. 7.19).

При больших амплитудах сигналов когда АРУ наилучшим образом осуществляет нормировку сигналов, получим

Весовая функция должна обладать срезающим свойством (рис. 7.20), а от функции требуется обеспечивать устойчивую нормировку сигнала ошибки при любых значениях . Это связано с тем, что при некоторых углах когда суммарная диаграмма близка к нулю, знаменатель выражений (7.2.15) и (7.2.16) принимает очень малое значение, что может привести к подчеркиванию боковых лепестков. Для устранения этого необходимо выполнение равенства

Таким образом, весовая функция суммарного канала должна выбираться из условия

Отсюда при

при больших

На рис. 7.21 приведен график весовой функции суммарного канала. Следует заметить, что такая зависимость может быть получена при совместной работе системы АРУ и компенсатора боковых лепестков.

Угловое стробирование с помощью нелинейных устройств. В зависимости от назначения системы АСН и типа помехового сигнала устройство углового стробирования выполняет различные задачи.

Рис. 7.20.

Рис. 7.21.

Так, при действии когерентной двухточечной помехи оно исключает прохождение управляющего углового воздействия в систему сопровождения на участках времени эффективного действия помехи, когда ЭПР парной цели уменьшается ниже допустимого предела [15, 124, 187]. В данном случае нелинейные звенья системы АСН должны выполнять операции логического включения и выключения, т. е. должны быть релейными элементами. В других случаях могут быть применены нелинейности типа ограничения и зоны нечувствительности.

На рис. 7.22 приведены амплитудные характеристики нелинейных устройств применяемых в системах углового стробирования пеленгационных характеристик Здесь управляющее напряжение, формируемое фазовым детектором.

Рис. 7.22.

Нелинейность типа ограничения (рис. 7.22, а) не изменяет апертуры пеленгационной характеристики, а лишь уменьшает значение Подобная нелинейность применяется для исключения перегрузки в звеньях системы АСН. Наибольшее влияние на пеленгационную характеристику оказывает нелинейность релейного типа (рис. 7.22, б). Эта нелинейность по порождаемому эффекту эквивалентна схеме компенсаторов боковых лепестков (рис 7,20). Однако принцип действия устройства углового стробирования с нелинейностью релейного типа совершенно иной. В основу его положено стробирование (отключение) углового канала на время, пока сигнал управления иупр превышает заданный порог ограничения

Нелинейность релейного типа уменьшает оба параметра пеленгационной характеристики: как размер апертуры так и величину (рис. 7.22, б). Разрешающая способность системы повышается. Кроме того, улучшается точность сопровождения отселектированного источника, поскольку во время мешающего действия источника помех информация не поступает в угловой канал (стробируется).

Стробирование наряду с полезными эффектами вызывает также и некоторое ухудшение динамических свойств системы АСН, что связано с введением в нее нелинейных устройств и дискретностью поступления информации, порождаемой релейной схемой стробирования.

Для количественной оценки влияния нелинейных звеньев на качество системы АСН воспользуемся методом гармонической линеаризации [24], в соответствии с которым нелинейные звенья при малых угловых рассогласованиях могут быть заменены линейными с эквивалентным коэффициентом передачи кэкв. Величина к в в общем случае зависит не только от параметров самой системы, но и от амплитуды А и частоты внешнего воздействия. Последнее при содержании составляющих с частотами, не превышающими частоты автоколебаний системы АСН может быть записано в виде

Здесь постоянная составляющая входного углового воздействия; амплитуда и средняя частота изменяющихся во времени компонент входного воздействия.

Система АСН имеет основную нелинейность, порождаемую пеленгационной характеристикой. Для удобства она

аппроксимируется прямыми линиями (рис. 7.22, б). Линеаризация пеленгационной характеристики позволяет определить эквивалентный коэффициент передачи пеленгационного устройства [24]

где угловые коэффициенты наклона прямых, аппроксимирующих пеленгационную характеристику (рис. 7.22, б); значение входного воздействия, при котором напряжение на выходе пеленгатора достигает максимума;

Графически зависимость (7.2.18) имеет вид, изображенный на рис. 7.23. Там же приведен график, характеризующий эквивалентный коэффициент передачи нелинейного звена с ограничением

Пунктиром на рис. 7.23 показано изменение коэффициента передачи пеленгационного устройства при наличии в нем нелинейного звена типа ограничителя

Из рис. 7.23 видно, что наличие нелинейностей в системе АСН приводит к уменьшению ее коэффициента передачи с ростом амплитуды внешнего воздействия А. Если то коэффициент передачи равен нулю, а при он становится отрицательным, что свидетельствует о переходе системы АСН в неустойчивое состояние. Исследования показывают, что в процессе увеличения А в системе возникают сначала автоколебания, а затем при система АСН может быть выбита из режима автоматического сопровождения. Если действует мерцающая помеха, то потеря устойчивости при означает, что геометрический центр парной

Рис. 7.23.

мерцающей цели становится точкой неустойчивого состояния равновесия и система переходит на сопровождение одного из источников, т. е. мерцающие цели разрешаются.

Критическая амплитуда внешнего воздействия может быть определена из уравнения

откуда

Исследование (7.2.20) на экстремум показывает, что величина амплитуды принимает минимальное значение при Значение коэффициента определяет вид укороченной пеленгационной рактеристики, получаемой при релейном угловом стробировании (рис. 7.22, б).

Следовательно, релейное стробирование влияет на качество системы АСН двояким образом. С одной стороны, уменьшается апертура пеленгационной характеристики, что приводит к улучшению разрешающей способности системы АСН при действии на нее помех, вызывающих периодические или случайные возмущения большой амплитуды (например, мерцающие помехи). С другой стороны, нелинейность релейного типа ухудшает динамические свойства системы и снижает запас устойчивости вследствие уменьшения коэффициента передачи пеленгационного устройства. Этот недостаток схем стробирования необходимо учитывать при проектировании систем АСН.

Уравнение динамики линеаризированной системы АСН записывается в виде [24]

где многочлены с постоянными коэффициентами (степень многочлена ниже степени многочлена

В связи с тем, что эквивалентный коэффициент передачи зависит от параметров помехи их значения влияют на устойчивость системы; причем под устойчивостью обычно понимают затухание переходных процессов по медленно меняющейся составляющей. Запас устойчивости в

Рис. 7.24.

пространстве параметров системы и действующей помехи находится известными способами 1155].

Имеются различные способы формирования сигнала управления стробирующим устройством. На рис. 7.24 изображена упрощенная схема моноимпульсной РЛС автоматического сопровождения с устройством углового стробирования [214]. В этой схеме для управления устройством стробирования используется способ создания энергетического контраста двух целей находящихся в объеме разрешения.

Энергетический контраст целей создается за счет их облучения передающей антенной, имеющей разное усиление в направлениях на разрешаемые цели. Наиболее просто это достигается смещением максимума диаграммы направленности передающей антенны РЛС относительно равносигнального направления. При этом сигналы, принимаемые даже от одинаковых целей, будут иметь различные интенсивности.

В схеме содержится два пеленгатора. Пеленгатор А работает с передающей антенной, которая имеет диаграмму направленности смещенную относительно РСН вверх, а пеленгатор В включает в себя передающую антенну с диаграммой направленности смещенной вниз. Разделение сигналов может происходить путем частотной или временной селекции.

В качестве управляющего используется сигнал получаемый при суммировании напряжений и формируемых соответственно пеленгаторами т. е.

Для управления стробирующим устройством используется разностный сигнал

При пеленгации одиночной цели суммарный сигнал ничем не отличается от напряжения на выходе обычного пеленгатора, а сигнал Совершенно иная картина складывается при появлении в объеме разрешения другой мешающей цели. При этом напряжение по-прежнему характеризует угловые координаты первой цели.

Рассмотрим более подробно работу устройства при пеленгации парной цели.

Пусть работает передатчик А. Тогда сигналы на выходах элементарных антентся в виде

где приняты обозначения § 2.2.

На выходе фазового детектора пеленгатора А получим

где

— коэффициент, характеризующий энергетический контраст целей.

Заменяя функцию двумя первыми членами степенного ряда в окрестности равносигнального направления, находим

Аналогичное выражение получаем для напряжения, формируемого пеленгатором В:

где

Для суммарного напряжения имеем

Разностный сигнал управления

где .

Формула (7.2.28) показывает, что при отсутствии ошибки сопровождения селектируемой цели когда напряжение управления и сигнал на схему стробирования не подается. При появлении ошибки напряжение и происходит стробирование углового канала на время, пока управляющее напряжение больше некоторого порога. При этом управляющее напряжение в общем случае формируется в стробирующем устройстве логическим сравнением Оно используется для размыкания системы АСН на время, выбираемое из условия получения необходимой точности автосопровождения. Во время стробирования управляющий сигнал в системе АСН формируется от запоминающего устройства. Суммарное напряжение несет информацию об обеих целях и используется для формирования сигнала ошибки системы АСН При этом факт присутствия двух целей устанавливается с помощью напряжения