2. ПЕЛЕНГАЦИОННЫЕ РИУ

Антенная система является основным элементом пеленгационного РИУ, чувствительным к углу прихода сигнала. Антенная система характеризуется рядом параметров, в том числе формой диаграммы направленности.

Отраженный сигнал через антенную систему проходит в приемную систему (приемник), где подвергается высокочастотной обработке, усилению и соответствующему преобразованию. Сигнал, обработанный в приемнике, далее используется для формирования угловой информации об объекте.

Выделение угловой информации производится с помощью различных электронных устройств и систем, которые дают возможность оператору воспринимать получаемую угловую информацию или позволяют выделять сигнал ошибки, образуя пеленгационную характеристику.

Наибольшее распространение получили визуальные индикаторы на электронно-лучевых трубках, так как с их помощью можно передать больший объем информации по сравнению с другими способами. При этом оператор сравнивает положение световой отметки принимаемого сигнала с положением механического или электрического

визира и определяет координаты объекта. Однако невысокая разрешающая способность электронно-лучевой трубки и субъективные ошибки оператора не позволяют реализовать потенциальные возможности РИУ с точки зрения точности определения угловых координат объекта.

Элементы и системы, формирующие из принятого отраженного сигнала напряжение сигнала ошибки, дают возможность непрерывно определять угловые координаты и вести автоматическое сопровождение объекта.

Основными и необходимыми элементами системы для выделения сигнала ошибки являются детекторы огибающей (импульсные, или пиковые детекторы), фазочувствительные детекторы (выпрямители, коммутаторы) и фазовые детекторы [18].

Рис. Х.7. Функциональная схема устройства выделения сигнала ошибки и автоматического сопровождения объекта по азимуту при круговом обзоре: КС — каскад совпадения; СС — схема сравнения; УФ — усилитель и фильтр; ГП — генератор полустробов; — генератор задержки; ИСС — исполнительная следящая система

Остальные элементы и системы, предназначенные для усиления, преобразования сигнала к виду, удобному для получателя и стабилизации показателей пеленгационной характеристики, имеют чисто техническое значение. Наличие того или иного элемента и системы зависит, прежде всего, от метода получения угловой информации, примененного в системе.

Пеленгационное РИУ, реализующее метод максимума. Метод максимума при линейном развертывании диаграммы направленности позволяет осуществлять автоматическое сопровождение одного или нескольких объектов при одновременном обзоре пространства.

Сигнал ошибки вырабатывается на основе анализа пачки импульсов, принятых при совпадении диаграммы направленности антенны с направлением на объект. Функциональная схема одного из вариантов системы выделения сигнала ошибки для автоматического сопровождения объекта по азимуту при круговом обзоре пространства изображена на рис. X. 7,

Слежение производится за серией импульсов. Пусковой импульс, вырабатываемый в момент прохождения осью диаграммы направленности антенны направления, принятого за начало отсчета азимута, подается на генератор задержки, формирующий импульс метки, который возбуждает генератор полустробов.

Полустробы 1 и 2 и пачка импульсов подаются на каскад совпадения, в котором сравниваются временные положения полустробов и пачки импульсов. Импульсы пачки, прошедшие за время действия первого полустроба, подаются на схему сравнения в положительной полярности, а импульсы пачки, прошедшие за время действия второго полустроба, подаются в отрицательной полярности. На выходе схемы сравнения получается разностный сигнал, который после усиления и фильтрации преобразуется в сигнал ошибки. На генератор задержки подается также измеренная координата объекта, пропорционально которой изменяется время задержки.

Так как скорость обзора постоянная, то величина времени задержки будет характеризовать значение измеренной координаты объекта. Если пачка импульсов поделилась поровну между первым и вторым полустробами, то напряжение сигнала ошибки будет равно нулю. Это означает, что измеренная угловая координата будет соответствовать истинному значению.

Поскольку разностный сигнал выделяется только в момент облучения объекта, то пачки импульсов принимаются сериями с определенным интервалом. Это обстоятельство, а также применение грубого метода пеленгации по максимуму не позволяют получить высокую точность определения координат объекта. Для повышения точности выработки угловых координат необходимо уменьшать интервал между сериями, наибольшая точность может быть получена при непрерывном поступлении пачки импульсов. Это реализуется в пеленгационных РИУ, диаграммы направленности которых всегда направлены на объект, при этом для формирования сигнала ошибки используется один из методов сравнения. Наиболее широкое распространение получил метод конического сканирования.

Пеленгационные РИУ, использующие метод конического сканирования. Типовая система выделения сигнала ошибки, использующая метод конического сканирования, состоит из детектора, усилителя и фазочувствительных выпрямителей. Последние необходимы для разложения сигнала ошибки на составляющие пропорциональные отклонению объекта от оси антенны соответственно по азимуту и углу места (рис. X. 8).

Функциональная схема системы формирования сигнала ошибки показана на рис. X. 9. В качестве детектора сигнала ошибки используется диодный импульсный детектор, который преобразует модулированные по амплитуде импульсы в пульсирующее напряжение

Затем с помощью усилителя сигнала ошибки производится усиление переменной составляющей и разделение ее от постоянной составляющей принятого сигнала. С целью выделения основной

гармоники сигнала ошибки и частичного подавления флуктуационных помех усилитель выполнен по избирательной схеме с резонансной частотой, равной частоте сканирования.

Известно, что амплитуда отраженных импульсов зависит от расстояния до объекта, а также от величины эффективной отражающей площади объекта. Это обстоятельство приводит к тому, что амплитуда переменной составляющей на выходе детектора может быть различной при одной и той же величине угловой ошибки. Поэтому необходимо, чтобы коэффициент передачи системы выделения сигнала ошибки оставался неизменным при изменении уровня отраженных импульсов. Для этого приемник РИУ имеет систему автоматического регулирования усиления (АРУ), которая удерживает постоянной среднюю величину принятых импульсов при ее медленном изменении.

Рис. Х.8. Образование азимутальной и угломестной составляющих сигнала ошибки в наклонной плоскости

Рис. Х.9. Функциональная схема устройства выделения сигнала ошибки по азимуту и углу места в системе с коническим сканированием: ДСО — детектор сигнала ошибки; РУ — резонансный усилитель; ФчВ — фазочувствительный выпрямитель

При более быстрых изменениях уровня импульсов стабилизация коэффициента передачи достигается изменением коэффициента усиления резонансного усилителя обратно пропорционально величине постоянной составляющей, которая меняется в соответствии

с изменением средней величины импульсов на выходе приемника. Благодаря этому величина сигнала ошибки не будет зависеть от изменения дальности и эффективной отражающей площади, а будет зависеть только от величины угловой ошибки.

После высокочастотной обработки принятого сигнала (см. формулу X. 1) напряжение сигнала ошибки на выходе резонансного усилителя будет иметь следующий вид:

Это напряжение можно представить в другой форме:

где — напряжение, пропорциональное азимутальной составляющей угловой ошибки;

— напряжение, пропорциональное угломестной составляющей угловой ошибки.

Из выражения (X. 6) видно, как надо подавать опорные напряжения на фазочувствительные выпрямители, чтобы выделить из сигнала ошибки составляющие

Азимутальное опорное напряжение, равное совпадающее по фазе с азимутальной составляющей сигнала ошибки, и угломестное опорное напряжение, равное совпадающее по фазе с угломестной составляющей сигнала ошибки, поступают с генератора опорных напряжений (ГОН), ротор которого механически связан с электродвигателем, вращающим диаграмму направленности антенны. ГОН представляет собой электрическую машину с намагниченным ротором и с двумя взаимно перпендикулярными статорными обмотками. С этих обмоток снимаются два переменных напряжения с частотой, равной частоте сканирования, с одинаковыми амплитудами, но сдвинутые между собой по фазе на 90°.

В результате на выходе фазочувствительного выпрямителя образуется напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна величине, соответствующей составляющей угловой ошибки, а полярность показывает направление этой ошибки от геометрической оси антенны. Полученные таким образом сигналы направляются на входы соответствующих усилителей следящих систем.

Моноимпульсные РИУ. Простейшая моноимпульсная система выделения сигнала ошибки реализуется с помощью амплитудноразностного устройства. На рис. X. 10 показана функциональная схема моноимпульсной системы выделения сигнала ошибки в одной плоскости с помощью амплитудно-разностного устройства.

Принимаемые каждой из антенн сигналы поступают на соответствующие приемные каналы, где они преобразуются, усиливаются и детектируются. Затем видеоимпульсы с выхода каждого приемника подаются на вычитающее устройство, в котором находится их разность. Эта разность является сигналом ошибки для управления положением антенны.

Сигналы на выходе приемников первого и второго каналов можно представить в виде:

где - коэффициенты передачи соответствующих каналов; — характеристика направленности антенны, где

При малых значениях угловой ошибки на выходе схемы вычитания сигнал ошибки имеет вид

Если то сигнал ошибки можно представить в виде

Из формулы (X. 9) видно, что сигнал ошибки пропорционален величине угловой ошибки .

Рис. Х.10. Функциональная схема амплитудно-разностного устройства выделения сигнала ошибки моноимпульсной системы: П — приемник; СВ — схема вычитания

Выражения (X. 8) и (X. 9) показывают, что нулевое значение пеленгационной характеристики и ее крутизна зависят от стабильности коэффициента передачи каналов и их идентичности, что является существенным недостатком моноимпульсной системы с амплитудно-разностным устройством. Этот недостаток отсутствует в моноимпульсной РИУ, где сигнал ошибки выделяется с помощью суммарно-разностной схемы с последующим нормированием принимаемых сигналов. Этот вариант является наиболее совершенным, так как позволяет исключить также влияние изменения уровня принимаемых сигналов на стабильность пеленгационной характеристики и тем самым обеспечить более высокую точность определения направления на объект.

Сравнение амплитуд сигналов и выделение разностного сигнала производится непосредственно после антенн до приемных каналов.

С этой целью применяется суммарно-разностный высокочастотный волноводный мост, являющийся одним из основных чувствительных элементов рассматриваемой системы (рис. X. 11).

К точкам моста подсоединены соответственно антенны Отвод С называется суммарным, а отвод Р — разностным.

Если к точке С подать высокочастотную энергию передатчика, то она распределится между антеннами поровну и синфазно, образуя суммарную диаграмму направленности.

Принятые сигналы пройдут по кольцу одинаковые пути и в точке С волноводного моста сложатся в фазе. При этом суммарное напряжение имеет диаграмму направленности, аналогичную суммарной диаграмме направленности при излучении. В точке Р эти же два сигнала подходят в противофазе, поэтому они вычитаются и образуют разностное напряжение

Рис. Х.11. Функциональная схема суммарно-разностного устройства: ПС — приемник суммы; ПР — приемник разности; БАРУ — быстродействующая схема АРУ

Суммарный и разностный сигналы затем преобразуются, усиливаются в соответствующих приемных каналах «суммы» и «разности» и подаются на фазочувствительный выпрямитель (ФчВ). Причем суммарный сигнал используется в качестве опорного напряжения.

На выходе ФчВ формируется сигнал ошибки величина и знак которого зависят от величины и фазы разностного сигнала, а также от уровня принимаемых сигналов.

С целью исключения влияния изменения уровня принимаемых сигналов на величину сигнала ошибки, т. е. стабилизации крутизны пеленгационной характеристики, применяется быстродействующая схема автоматического регулирования усиления (БАРУ), которая работает от суммарного сигнала. БАРУ изменяет коэффициент усиления обоих каналов обратно пропорционально величине суммарного сигнала. Тогда разностное напряжение на выходе канала «разности» будет как бы делиться на величину суммарного сигнала, т. е. будет происходить нормирование разностного сигнала [10].

Поскольку ФчВ является умножителем, то при нормальной работе БАРУ напряжение сигнала ошибки на выходе ФчВ будет

пропорционально отношению разностного и суммарного сигналов

Таким образом устраняется влияние флуктуаций принимаемых сигналов, а неидентичность каналов не сказывается на положении «нуля» пеленгационной характеристики.

В рассмотренной моноимпульсной системе удачно сочетается метод максимума, который позволяет получить хорошее соотношение сигнала к шуму, а следовательно, иметь большую дальность обнаружения объекта, и метод минимума, который обеспечивает высокую точность определения направления на объект. Благодаря этому суммарно-разностная обработка сигнала, несущего угловую информацию, получила наибольшее применение в моноимпульсных системах.

Рис. Х.12. Функциональная схема устройства выделения сигнала ошибки фазовым методом: — приемники; ФД — фазовый детектор

Фазовые пеленгационные РИУ. На рис. Х.12 показана функциональная схема фазового пеленгационного РИУ, измеряющего угловые координаты в одной плоскости.

Элементом, в котором происходит сравнение фаз сигналов принятых антеннами является фазовый детектор. Напряжение на выходе фазового детектора — сигнал ошибки, будет зависеть не только от разности фаз, но и от значения коэффициентов передачи каналов и уровня принимаемых сигналов.

Для того чтобы исключить влияние нестабильности коэффициентов передачи каналов и изменение уровня сигналов в приемниках, применяют АРУ и ограничители. Тогда напряжения на выходах приемников будут постоянными по величине, равными Фазовый детектор работает как умножитель, поэтому сигнал ошибки на его выходе имеет вид:

где — коэффициент передачи фазового детектора.

Вторая гармоника с помощью фильтра, установленного на выходе фазового детектора, не пропускается, поэтому

где величина постоянная.

Формула (X. 12) показывает, что пеленгационная характеристика, имея максимальное значение при точном пеленге, не характеризует направление угловой ошибки, т. е. при отклонении от пеленга в ту или другую сторону сигнал ошибки имеет один и тот же знак. Для устранения этого недостатка в одном из приемных каналов с помощью фазовращателя фазу сигнала сдвигают на

Тогда с учетом формулы (X. 2) получим

При малых значениях можно записать

Зависимость от угловой ошибки является пеленгационной характеристикой. Крутизна пеленгационной характеристики при

Как видно из формулы (X. 15), для увеличения крутизны пеленгационной характеристики необходимо увеличивать базу или уменьшать длину излучаемой волны X.