ГЛАВА СЕДЬМАЯ. ИЗМЕРЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ПРИ КОГЕРЕНТНОМ СИГНАЛЕ

§ 7.1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач современных радиолокационных систем различного назначения является измерение дальности до цели. Необходимость измерения дальности возникает и в обзорных радиолокаторах и тем более в радиолокаторах целеуказания и наведения, а также в системах навигации. Измерение дальности может основываться на различных физических принципах, в частности, некоторое распространение получили методы, основанные на интегрировании скорости, и триангуляционный метод, однако по своей распространенности и важности наибольшее значение имеет прямой радиолокационный метод, основанный на кодировании дальности до цели в задержке принимаемого сигнала и измерении этой задержки [1, 26, 27].

Мы будем рассматривать вопросы, связанные с измерением дальности именно этим последним методом. Первые же два метода полностью основаны на измерении скорости и углов, и все их рассмотрение сводится лишь к применению результатов соответствующих глав этой книги. Кроме того, из всех систем измерения дальности по задержке отраженного сигнала нас будут интересовать в основном наиболее распространенные на практике автоматические следящие измерители, осуществляющие сопровождение по дальности отселектпрованной цели, и лишь в меньшей степени другие типы дальномерных устройств.

Статистическому анализу и синтезу систем измерении дальности посвящено сравнительно небольшое

количество опубликованных работ. При этом большинство известных авторам работ относится фактически только к анализу воздействия случайных сигналов, шумов и некоторых помех на наиболее распространенный до недавнего времени импульсный некогерентный автодальномер при разнообразных ограничивающих предположениях [28—30].

Рис. 7.1. Функциональная схема следящего измерителя дальности: 1 — дискриминатор; 2 — сглаживающие и управляющие цепи.

В значительно меньшей степени были затронуты до недавнего времени вопросы анализа дальномеров, использующих другие виды сигналов [1, 31], а также вопросы синтеза оптимальной системы измерения дальности. Некоторые частные решения, относящиеся к последнему вопросу, были получены в работах [12,32].

Почти одновременно с работами по анализу флюктуационной точности радиолокационных дальномеров вполне определенного типа при воздействии шумов и помех были предприняты попытки исследования потенциальной точности измерения дальности радиолокатором. По-видимому, первой работой, относящейся к данному вопросу, является [4], где при весьма ограничительных предположениях найдена дисперсия эффективной оценки задержки отраженного сигнала для случая неподвижной цели. Та же задача при менее ограничительных предположениях относительно принимаемого сигнала была решена в [33]. Дальнейшее продвижение в данном вопросе было достигнуто с помощью применения общих результатов, изложенных в гл. 6. Эти результаты, в частности, дают возможность получить достаточно корректное решение задачи синтеза оптимальной системы измерения дальности для весьма широкого и практически важного класса случаев, когда быстрота изменения измеряемой дальности мала по сравнению с быстротой флюктуаций принимаемого сигнала.

Как уже показано в гл. 6, оптимальный измеритель реализуется при этом в виде замкнутой следящей системы, включающей нелинейный дискриминатор и сглаживающие цепи, управляющие настройкой дискриминатора (рис. 7.1). Решение задачи синтеза позволяет установить алгоритм нахождения операций дискриминатора и характеристик сглаживающих цепей для произвольного вида модуляции принимаемого сигнала и широкого класса случаев статистики изменения дальности, а также провести подробное исследование потенциальной точности измерения дальности без ограничивающего предположения о неподвижности цели.

Развитие теории статистических решений позволяет изложить статистические вопросы, относящиеся к измерению дальности, дедуктивным способом. В соответствии с этим мы рассмотрим сначала вопросы синтеза оптимальных дальномеров и потенциальной точности измерения дальности для произвольного случая, затем также в общем виде исследуем основные способы приближенной реализации оптимальных операций и, наконец, проанализируем более подробно конкретные схемы измерителей дальности для наиболее распространенных и характерных видов модуляции сигнала. Постольку поскольку все результаты имеют большую математическую законченность для случая когерентного сигнала, начнем именно с него, а в следующей главе рассмотрим случай некогерентного флюктуирующего сигнала.

В этой и следующей главах как с точки зрения анализа, так и с точки зрения синтеза нас будут интересовать в основном дискриминаторы систем измерения дальности. Это объясняется тем, что синтез сглаживающих цепей проводится единым образом для любого измеряемого параметра сигнала. Структура сглаживающих цепей определяется при этом только статистикой изменения параметра и не зависит от его физической природы. Такая задача синтеза подробно рассмотрена в гл. 6, и здесь мы можем воспользоваться уже готовыми результатами. Если определены основные характеристики дискриминатора (дискриминационная и флюктуационная), то дальнейший анализ измерительной системы, и в частности, определение ошибок измерения также уже не зависят от физической природы измеряемого параметра сигнала, в котором закодирована какая-либо координата

цели. Это даёт возможность вычислять ошибки измерения координат единым способом с помощью предварительно найденных характеристик дискриминатора.

Например, в случае линеаризованного рассмотрения следящей системы при сглаживающих цепях с постоянными параметрами вычисление дисперсии ошибки измерения сводится к умножению эквивалентной спектральной плотности дискриминатора На эффективную полосу замкнутой следящей системы. В других случаях эти способы сложнее, но в общем они уже изложены в гл. 6, и для окончательных расчетов точности систем измерения дальности мы можем воспользоваться готовыми результатами. В противоположность этому вопросы, относящиеся к построению дискриминаторов и их анализу, имеют специфику, характерную для систем измерения дальности, и нуждаются, конечно, в детальном рассмотрении.

Как показано в гл. 6, наиболее полными характеристиками дискриминатора являются дискриминационная и флюктуационная характеристики. Такие характеристики в случае, когда измеряемая дальность меняется медленно по сравнению со всеми случайными составляющими принимаемого сигнала, полностью определяют вместе с характеристиками сглаживающих цепей точность измерения дальности.

Дискриминационная характеристика представляет собой зависимость математического ожидания выходного напряжения дискриминатора от величины рассогласования между истинным и измеренным значением задержки, флюктуационная — зависимость спектральной плотности выходного напряжения дискриминатора на нулевой частоте от этого же рассогласования. В общем случае эти характеристики — произвольные нелинейные функции, обладающие определенной симметрией, и в соответствии с этим дальномер представляет собой нелинейную систему с обратной связью. Только при малых рассогласованиях, когда с высокой вероятностью ошибки измерения достаточно малы, эта система может быть линеаризована (см. гл. 6).

Для анализа линеаризованной системы достаточно иметь более простые характеристики дискриминатора — смещение нуля крутизну дискриминационной характеристики и эквивалентную спектральную плотность

отношение спектральной плотности выходного напряжения дискриминатора на нулевой частоте при нулевом рассогласовании к квадрату крутизны. Учет параметрических флюктуаций в измерительной системе требует дополнительного вычисления их спектральной плотности, которая определяется соответствующими формулами гл. 6.

В дальнейшем в большинстве случаев мы ограничимся линеаризованным рассмотрением дальномера без учета параметрических флюктуаций, в соответствии с чем анализ дискриминатора и сравнение разных дискриминаторов между собой сводятся к определению величин и их сравнению для разных дискриминаторов. Такие факторы, как отношение сигнал/шум, ширина спектра флюктуаций принимаемого сигнала, закон модуляции и способ обработки сигнала, влияют на точность измерения дальности только через посредство этих трех величин.

В этой главе сначала мы рассмотрим операции дискриминатора для флюктуирующего когерентного сигнала с произвольной модуляцией в шумах и исследуем его характеристики, определяющие потенциальную точность измерения дальности. Затем в общем виде исследуем основные способы приближенной реализации этих операций и более подробно окончательные схемы дискриминаторов для некоторых наиболее важных видов модуляции. Далее для разных сглаживающих цепей, соответствующих разным видам статистики изменения измеряемой дальности, будет проведен анализ дальномера в целом. И, наконец, в конце главы будут рассмотрены вопросы, связанные с воздействием на когерентные дальномеры организованных помех.