§ 10.2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ УГЛОВОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ

В радиолокационных угломерах измеряемые параметры (угловые координаты цели) закодированы в принимаемом радиолокационном сигнале. От угловых координат цели (от текущих угловых рассогласований в угломерах со следящей антенной) могут зависеть как амплитуда, так и фаза принимаемого сигнала. Вид этой зависимости определяется структурой антенной системы или, как говорят, методом угловой пеленгации, примененным в угломере. Очевидно, структура оптимальных угломерных систем будет существенно зависеть от метода угловой пеленгации; поэтому, прежде чем решать задачу синтеза оптимальных угломеров, мы приведем описание методов пеленгации. Описание наше будет достаточно кратким, поскольку радиолокационные методы угловой пеленгации общеизвестны.

В настоящее время предложено большое число методов пеленгации, использующих различные физические принципы. Наиболее известным из методов пеленгации является так называемый метод сканирования диаграммы направленности приемной антенны (47]. Прием сигнала при этом методе осуществляется антенной, диаграмма направленности которой сканирует относительно оси сканирования в угловом секторе, узком по сравнению с шириной диаграммы направленности. На

принимаемый сигнал накладывается при этом, сигнал, модулированный по амплитуде по закону, зависящему от углового отклонения цели от оси сканирования.

Найдем вид амплитудной модуляции принимаемого сигнала, вносимой сканирующей диаграммой. При этом здесь и в дальнейшем будем ограничиваться случаем измерения одной угловой координаты цели, считая по другой координате отслеживание точным. Обоснование такого рассмотрения будет дано в гл. 12, посвященной многомерным измерителям.

Рис. 10.1. К методу сканирования диаграммы направленности приемной антенны.

Рассмотрим рис. 10.1, на котором изображен участок сферы, проведенной из антенны через цель (при больших дальностях до цели этот участок можно считать плоским). Если обозначить измеряемое угловое отклонение от оси сканирования через а, угол между осью диаграммы направленности и осью сканирования — через у, и полярную координату текущего положения оси диаграммы направленности — через то, как легко видеть из рис. 10.1, угол между направлением на цель и осью диаграммы направленности будет равен

Предположим, что диаграмма направленности (по напряжению) имеет осесимметричную форму В этом случае принимаемый сигнал будет амплитудно-модулированным по закону

Здесь мы предполагаем, что цель облучается некотс рой не сканирующей диаграммой. Это предположение будем для определенности считать выполненным и далее, если не будет оговорено противное. Более сложные случаи при желании легко могут быть рассмотрены, и различие их будет весьма несущественным.

В выражении (10.2.1) функция определенным образом нормирована. Ее нормировка будет выбрана ниже. Коэффициент учитывает усиление диаграммы направленности.

При малых а выражение (10.2.1) может быть переписано в следующем виде:

где

— крутизна диаграммы направленности по оси сканирования.

Очевидно, когда цель находится на оси сканирования, амплитудная модуляция принимаемого сигнала исчезает; поэтому направление, определяемое осью сканирования, называют также часто равносигнальным направлением.

Закон изменения угла может быть различным. При мы получаем так называемое коническое сканирование диаграммы направленности (с круговой частотой если принимает значения сменяющиеся через промежутки времени то мы получаем так называемое квадрантное сканирование (с периодом

Следующим методом пеленгации, который мы рассмотрим, является метод сканирования с двумя диаграммами направленности, называемый часто методом сканирования с компенсацией. (Как мы увидим ниже, этот метод обеспечивает компенсацию вредного влияния флюктуаций сигнала.) В данном методе прием отраженного сигнала ведется двумя диаграммами направленности, сканирующими относительно одной оси. Углы наклона осей диаграмм направленности к оси сканирования могут быть различными. В частности, один из углов может быть равен 0, что соответствует одной неподвижной диаграмме.

Взаимное расположение цели и диаграмм направленности при методе сканирования с компенсацией изображено на рис. 10.2, где через а опять обозначено угловое отклонение цели от оси сканирования; через - угол между осью сканирования и осью диаграммы направленности через текущее значение полярной координаты диаграммы.

Рис. 10.2. К методу сканирования с компенсацией.

Из этого рисунка легко видеть, что угол между направлением на цель и осью диаграммы равен

Если теперь обозначить через форму диаграммы направленности (по напряжению), то получим, что сигнал, принятый на эту диаграмму, окажется амплитудно-модулированным по закону

Из (10.2.4) видно, что, если цель находится на оси сканирования, модуляция сигналов, принятых как на

ну, так и другую диаграмму, исчезает, т. е. ось сканирования определяет равносигнальное направление. Отметим также, что если одна из диаграмм неподвижна, т.е. для нее то сигнал, принятый на эту диаграмму, будет иметь амплитуду зависящую от углового отклонения цели от оси сканирования, но не зависящую от времени.

При малых а (10.2.4) может быть записано в виде

где

— крутизна диаграммы направленности.

Методы сканирования диаграммы направленности без компенсации и с компенсацией используются обычно в угломерах, в которых слежение осуществляется непосредственно антенной. В этих угломерах измеренное значение углового отклонения цели от оси сканирования используется для управления антенной, которая поворачивается таким образом, чтобы ось сканирования проходила через цель. Следовательно, угловое положение оси сканирования и является, очевидно, измеренным значением угловой координаты цели, а угловое отклонение цели от оси сканирования есть разность между истинным значением угловой координаты цели и ее измеренным значением.

Рассмотрим теперь метод пеленгации, называемый методом амплитудного мгновенного сравнения сигналов (АМС) [27, 48, 49]. При этом методе, как известно, при измерении угла а прием отраженного сигнала ведется двумя диаграммами направленности, сечение которых плоскостью угла а изображено на рис. 10.3. Если обозначить через угол между осью диаграммы ) направленности и равносигнальным направлением, через а — угловое отклонение цели от равносигнальной оси, а через форму диаграммы в рассматриваемой плоскости (по напряжению), то ясно, что амплитуды сигналов, принятых 1-й и 2-й диаграммами, будут равны соответственно

При когда цель находится на равносигнальном направлении, амплитуды принимаемых сигналов становятся одинаковыми, так как

Отметим, что с формальной точки зрения метод АМС можно рассматривать как частный случай метода сканирования с компенсацией, в котором диаграммы направленности неподвижны и имеют координаты

Рис. 10.3. К методу амплитудного мгновенного сравнения сигналов.

При малых а выражения (10.2.7) могут быть переписаны в виде

где крутизны определяются аналогично (10.2.6).

Метод АМС используется как в угломерах со следящей антенной, так и в неследящих угломерах. В последнем случае диаграммы направленности выбираются достаточно широкими, чтобы сектор, в котором они пересекаются, перекрывал сектор возможных значений угловых координат цели. При этом диаграммы направленности неподвижны и угловая координата цели измеряется по разности амплитуд принимаемых сигналов.

Далее рассмотрим так называемый метод линейного или плоского сканирования [49]. При этом методе достаточно узкая диаграмма направленности периодически

пробегает некоторый угловой сектор, перекрывающий сектор возможных значений угловых координат цели. Если угловая координата цели в этом секторе есть а (рис. 10.4), сечение диаграммы направленности в рассматриваемой плоскости имеет по мощности форму предполагаем, что облучение цели ведется этой же диаграммой и пренебрегаем временем распространения радиолокационного сигнала до цели и обратно, угловая скорость движения диаграммы направленности по сектору, то на входе приемника будет приниматься периодическая последовательность пачек (импульсов) сигнала, имеющих форму и задержанных относительно начала периода на время

Рис. 10.4. К методу плоского сканирования.

Другими словами, принимаемый сигнал будет амплитудно-модулированным по закону

где период обзора сектора диаграммой направленности.

Здесь предполагается для простоты, что диаграмма направленности обратного хода по сектору не имеет. Если при достижении границы сектора диаграмма мгновенно перескакивает в его начало, то, очевидно,

где угловой размер сектора.

Угломеры, использующие метод плоского сканирования, являются обычно следящими. Однако слежение здесь осуществляется с помощью электронной схемы, производящей сопровождение пачек сигнала. Поэтому метод плоского сканирования называется часто методом сопровождения но пачкам. Этот вариант метода мы и будем рассматривать в дальнейшем.

Рис. 10.5. К методу сканирования фазового центра.

Перейдем теперь к рассмотрению так называемого метода сканирования фазового центра. При использовании этого метода прием отраженного сигнала ведется антенной, фазовый центр которой перемещается (сканирует) в плоскости раскрыва антенны. Тогда принимаемый сигнал становится фазомодулированным по закону, зависящему от угла прихода радиолокационного сигнала, т. е. от углового положения цели.

Найдем вид этой модуляции. Обозначим через а угол между направлением на цель и нормалью к поверхности раскрыва антенны (определяющей равнофазное направление), а через координату проекции фазового центра на рассматриваемую плоскость (рис. 10.5). Тогда, очевидно, фаза принимаемого сигнала зависит от времени и равна

где фаза принимаемого сигнала в случае, когда цель находится на равнофазном направлении;

X — длина волны радиолокационного сигнала.

При малых в (10.2.10) может быть заменен на а. Метод сканирования фазового центра используется

обычно в угломерах со следящей антенной. Угол а является при этом разностью между истинным .и измеренным значениями угловой координаты цели.

Значительно более распространенным методом пеленгации является метод мгновенного фазового сравнения сигналов (ФМС) [27, 48, 49].

Рис. 10.6. К методу мгновенного фазового сравнения сигналов.

Здесь при измерении угла а прием отраженного сигнала ведется двумя антеннами, фазовые центры которых лежат в плоскости угла а и разнесены друг относительно друга на расстояние называемое базой антенной системы. Будем под а понимать угол между направлением на цель и нормалью к плоскости, в которой лежат фазовые центры (рис. 10.6). Легко видеть, что фазы сигналов, принимаемых 1-й и 2-й антеннами, равны, соответственно

где все обозначения те же, что и в (10.2.10).

Метод ФМС используется как в угломерах со следящей антенной, так и неследящей. В неследящих

угломерах антенная система неподвижна, а ее база выбирается не слишком большой, чтобы угловой сектор котором фазы и однозначно определяют а] перекрывал сектор возможных значений угловой координаты цели. Угловая координата цели а устанавливается в этом случае по разности фаз принятых сигналов.

Таким образом, мы охарактеризовали все основные методы угловой пеленгации, применяемые в настоящее время в радиолокации. Отметим возможность комбинированного использования различных методов пеленгации. Обобщения в этом направлении очевидны. Например, можно использовать метод с одновременным сканированием диаграммы направленности и сканированием фазового центра.

Принимаемый сигнал становится в этом случае модулированным по амплитуде и фазе с законами модуляции, зависящими от углового положения цели, т. е. становится как бы более информативным, что должно привести, в конечном счете, к увеличению точности измерения угловых координат. Также может быть использован метод мгновенного амплитудно-фазового сравнения сигналов, заключающийся в приеме отраженного сигнала на две антенны с разнесенными фазовыми центрами и раздвинутыми под некоторым углом друг к другу диаграммами направленности. Принимаемые сигналы при таком методе будут различаться как по амплитудам, так и по фазам, различие которых зависит от угла прихода радиолокационного сигнала. Продолжая обобщения в этом направлении, мы придем к радиолокационному методу угловой пеленгации, заключающемуся в приеме радиолокационного сигнала на произвольное число антенн, диаграммы направленности и фазовые центры которых сканируют по некоторым законам. Любой из методов угловой пеленгации является частным случаем такого обобщенного метода и получается при конкретизации числа приемных антенн и законов сканирования их диаграмм направленности и фазовых центров.

В дальнейшем будем рассматривать, по возможности, угломеры с обобщенным методом пеленгации, конкретизируя, где нужно, конечные результаты. В частности, такой подход оказывается применимым к угломерам со следящей антенной.