ГЛАВА X. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ И ДАЛЬНОСТИ

Определение направления на объект или измерение его угловых координат называется пеленгованием объекта (в случае применения радиотехнических средств — радиопеленгованием объекта). Радиопеленгование возможно благодаря прямолинейному распространению электромагнитных волн в однородной среде.

Скорость распространения электромагнитных волн является величиной постоянной, что дает возможность, измеряя время их распространения до объекта, определять наклонную дальность.

Существуют различные радиотехнические методы пеленгования, измерения дальности и скорости объекта.

Радиолокационнные измерительные устройства (РИУ) являются дальномерными пеленгационными автоматическими радиотехническими устройствами, которые позволяют однозначно определять местоположение объекта в пространстве относительно некоторого начала координат — точки расположения самой радиолокационной станции.

Радиолокационные измерительные устройства, предназначенные для измерения угловых координат объекта, в дальнейшем будем называть пеленгационными РИУ; радиолокационные устройства, предназначенные для измерения наклонной дальности и скорости — дальномерными РИУ.

К радиолокационным измерительным устройствам относится широкий класс измерителей, включая сложнейшие системы в современных радиолокационных станциях (РЛС), предназначенных для обнаружения и измерения координат объектов и представляющих собой автоматизированные комплексы, управляемые из единого центра с помощью ЦВМ. Характерными условиями работы современных РЛС являются большая плотность объектов в пространстве, их значительная скорость перемещения и высокая маневренность, большие дальности до объектов, наличие различного рода помех, как естественных, так и мощных организованных, специально создаваемых для подавления работоспособности РЛС.

В данной главе изложены лишь основные вопросы, дающие представление об общих принципах работы, свойствах и особенностях пеленгационных и дальномерных РИУ.

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ РАДИОЛОКАЦИОННЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ (РИУ)

Для определения положения объекта в пространстве относительно какой-либо его точки (начала координат) необходимо знать направление и расстояние (дальность) от этой точки до объекта.

Направление в сферической системе координат определяется двумя угловыми координатами: азимутом и углом места.

Азимутом объекта называется угол в горизонтальной плоскости между прямой, соединяющей начало координат с проекцией объекта на эту плоскость, и некоторым направлением, принятым за начальное (как правило, направлением на север).

Углом места объекта называется угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей начало координат и объект, и проекцией этой прямой на горизонтальную плоскость.

Таким образом для определения направления на объект необходимо получить угловую информацию в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. В некоторых случаях пользуются другими координатными системами.

Пеленгование объекта радиотехническими измерительными устройствами основано на двух принципах: на измерении и сравнении амплитуд или измерении и сравнении фаз принимаемых радиосигналов. В соответствии с этим существуют амплитудные и фазовые методы пеленгования объекта. Оба метода реализуются с помощью РИУ, представляющих совокупность функционально соединенных электронно-механических систем, чувствительных к угловым координатам объекта.

Пеленгационные РИУ подразделяются на одноканальные и многоканальные: при помощи одноканальных устройств можно реализовать только амплитудные методы; многоканальные устройства позволяют реализовать как амплитудные, так и фазовые методы.

При амплитудных методах пеленгования используются свойства направленного приема антенной системы, которая является основной частью устройства, чувствительного к углу прихода принимаемого сигнала. Направленность приема или излучение антенной системы характеризуется диаграммой направленности, симметричной относительно электрической оси антенны. Основной характеристикой диаграммы направленности является ее ширина 0.

В одноканальных РИУ угловая информация об объекте формируется с помощью одной диаграммы направленности, а в многоканальных — с помощью двух и более диаграмм направленности, существующих одновременно.

Основной характеристикой одноканальных и многоканальных РИУ является пеленгационная характеристика, которая показывает функциональную зависимость сигнала ошибки от угла рассогласования. Параметрами пеленгационной характеристики являются ее крутизна, линейность и величина рабочего участка.

Существуют следующие амплитудные методы измерения угловых координат объекта: метод максимума, минимума и сравнения.

Метод максимума. Если направить электрическую ось диаграммы направленности на пеленгуемый объект, то амплитуда принимаемого сигнала будет иметь максимальную величину. В этот момент по положению диаграммы направленности определяют угловые координаты объекта.

Метод максимума в импульсных РИУ используется также при вращений антенны А с постоянной угловой скоростью обзора (рис. X. 1). В этом случае на выходе приемной системы появляется серия (пачка) отраженных импульсов, амплитуда которых будет меняться в соответствии с формой диаграммы направленности.

Рис. Х.1. Метод максимума: а — диаграмма направленности при круговом обзоре; б — серия импульсов при круговом обзоре

Рис. Х.2. Диаграмма направленности при пеленговании методом минимума

Когда огибающая пачки импульсов, представляющая собой пеленгационную характеристику (рис. X. 1, б), достигнет максимального значения, оператор (или автоматическое устройство) фиксирует значение координаты с помощью преобразователей и указателей, связанных с механизмом антенны.

Достоинством метода максимума является простота его реализации, а также то, что пеленг осуществляется при максимальном отношении сигнала к помехе, что важно при измерении координат дальних объектов. Основной недостаток данного метода — относительно малая точность пеленгования.

Метод минимума. Определение угловой координаты методом минимума осуществляется с помощью РИУ, диаграмма направленности антенны которого имеет линию минимального приема и излучения (рис. X. 2). Диаграмма направленности перемещается до тех пор, пока линия минимального приема не совпадет с направлением на объект. В этот момент производится отсчет угловой координаты.

Метод минимума отличается большей точностью, так как пеленгационная характеристика в области минимального приема имеет большую крутизну. Недостатком метода минимума является то, что

в момент совмещения линии минимального приема с направлением на объект прием отраженного сигнала может прекратиться.

Методы сравнения реализуются при помощи последовательного переключения или конического сканирования диаграммы направленности в одноканальных РИУ и моноимпульсным методом в многоканальных устройствах.

Метод последовательного переключения диаграммы направленности антенны. При методе последовательного переключения диаграммы направленности последняя попеременно отклоняется на небольшой угол в одну и другую сторону от равносигнального направления (рис. X. 3), где принимаемые сигналы будут иметь одинаковую величину по амплитуде. Принятые при этом отраженные сигналы сравниваются. Величина и знак разности этих сигналов являются мерой величины и направления угловой ошибки между направлением на объект, и равносигнальным направлением.

Рис. Х.3. Положения диаграммы направленности при методе последовательного переключения

Рис. Х.4. Образование равносигнального направления методом конического сканирования

Пеленгование осуществляется совмещением равносигнального направления с направлением на объект, и в этот момент производится отсчет угловых координат.

Метод конического сканирования. Метод конического сканирования является логическим развитием метода последовательного переключения диаграммы направленности. При этом используется одна диаграмма направленности, имеющая одинаковую ширину в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ее электрическая ось смещена на небольшой постоянный угол относительно равносигнального направления и непрерывно вращается с большой скоростью вокруг последнего, образуя в пространстве конус вращения (рис. X. 4).

Если направление на объект будет отличаться от равносигнального направления, то появится угловая ошибка. В этом случае принимаемые сигналы будут модулироваться частотой, равной частоте вращения диаграммы направленности. Частота вращения называется частотой сканирования. Амплитуда модулированного сигнала будет зависеть от формы диаграммы направленности, величины угла величины угловой ошибки и за период вращения изменяется приблизительно по синусоидальному закону.

Так как форма диаграммы направленности и угол остаются неизменными, на вход приемной системы будет поступать сигнал,

амплитуда огибающей которого, или глубина модуляции будет пропорциональна величине угловой ошибки, а фаза огибающей определит направление смещения объекта относительно равносигнального направления:

Коническое сканирование осуществляется с помощью одноканального устройства, недостатком которого является то, что сравниваются амплитуды сигналов, принятых в разное время (разделенных во времени на пол периода частоты сканирования). В этом случае, если даже объект точно находится на равносигнальном направлении, амплитудные флюктуации сигнала от объекта приведут к появлению ложного сигнала ошибки. Погрешность, вызванная этим сигналом, флюктуирующим примерно с частотой сканирования, вообще является принципиально неустранимым недостатком одноканальных РИУ, использующих метод конического сканирования.

Рис. Х.5. Расположение диаграмм направленностей при моноимпульсном методе пеленгования

Рис. Х.6. Фазовый метод пеленгования: а — с помощью двух антенн; б — с помощью трех антенн

Этот недостаток может быть устранен при реализации метода сравнения с помощью многоканальных РИУ.

Моноимпульсный метод. Метод, позволяющий получить угловую информацию на основе одного принятого импульса, называется моноимпульсным. Угловую информацию по одному импульсу можно получить, если измерить относительную фазу несущей частоты или амплитуду отраженного импульса.

Здесь под моноимпульсным методом будет подразумеваться метод одновременного сравнения амплитуд. Этот метод реализуется с помощью многоканальных РИУ, так как угловая ошибка в данном случае определяется путем сравнения сигналов, одновременно принятых по двум или более диаграммам направленности, которые смещены симметрично относительно геометрической оси антенны на угол как показано на рис. X. 5. При этом образуется равносигнальное направление, совпадающее с геометрической осью антенны.

Моноимпульсный метод является методом точного определения направления на объект, так как для получения полной угловой информации измеряются мгновенные амплитуды сигналов,

отношение которых не зависит от амплитудной флюктуации. Вследствие этого погрешности измерения угловых координат за счет амплитудной флюктуации, которые присущи предыдущим методам, в моноимпульсном методе в принципе исключаются, а практически в значительной степени уменьшаются.

Фазовый метод. При использовании фазового метода направление на объект определяется измерением разности фаз принимаемых сигналов. Для этого в одной координатной плоскости необходимо иметь две антенны расположенные друг от друга на некотором расстоянии (рис. X. 6, а), называемом базой. Геометрическая ось такой антенной системы проходит через середину базы перпендикулярно к ней. Обе антенны, как правило, направленного действия с идентичными диаграммами направленности, электрические оси которых располагаются параллельно геометрической оси антенны.

База всегда намного меньше расстояния R до объекта, поэтому каждая антенна облучает один и тот же объем пространства. Если направление на объект совпадает с геометрической осью антенны, то фазы сигналов, принятых каждой антенной, будут одинаковы, а разность фаз равна нулю. При отклонении объекта от геометрической оси антенны на угол амплитуды сигналов, принятых каждой антенной, практически будут одинаковыми, но фазы различными. Тогда разность фаз сигналов, принятых с разностью хода как видно из рисунка X. 6, а, будет равна

где X — длина волны принимаемого сигнала.

Далее отметим: при увеличении до возможного максимального значения разность фаз может принимать несколько одинаковых значений, что приведет к неоднозначному отсчету угловой координаты объекта. Если заданы длина волны X и угол последний определяется шириной диаграммы направленности, то неоднозначность может быть ликвидирована выбором соответствующей величины базы при которой разность фаз не изменится больше, чем на т. е.

При малых значениях изменения угла 8 крутизна пеленгационной характеристики имеет вид

Из формул (X. 3) и (X. 4) видно, что с увеличением необходимо уменьшать последнее, в свою очередь ведет к уменьшению крутизны пеленгационной характеристики у. Поэтому такой способ устранения неоднозначности может быть удовлетворительно использован лишь при малой ширине диаграммы направленности.

Способ устранения неоднозначности за счет применения третьей антенны показан на рис. X. 6, б. В этом случае антенны разнесены на базу которая имеет предельно допустимую величину с точки зрения однозначности разности фаз. Антенны разнесены на базу которая больше базы Тогда по разности фаз сигналов, принятых антеннами и с высокой точностью определяется угловая ошибка, а ее неоднозначность устраняется измерением разности фаз сигналов, принятых антеннами

Фазовый метод позволяет измерить угловую координату объекта по одному принятому импульсу.

Устройства реализующие фазовый метод, практически не чувствительны к флюктуации принимаемого сигнала и обладают высокой точностью измерения угловых координат объекта. Недостатком метода является необходимость поддержания с большой точностью идентичности фазовых характеристик всех каналов устройства.

Амплитудно-фазовый метод пеленгации. Амплитудный и фазовый методы сравнения принимаемых сигналов можно реализовать в одном РИУ. Это позволяет получить угловую информацию по азимуту и углу места с помощью только двух антенн. В азимутальной плоскости угловая ошибка, например, определяется фазовым методом, для чего антенны разнесены на базу а их диаграммы направленности расположены параллельно. Тогда в угломестной плоскости диаграммы направленности антенн смещены на угол и угловая ошибка в этом случае определяется амплитудным методом сравнения сигналов.