5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАЛЬНОМЕРНЫХ РИУ

Основными техническими характеристиками радиодальномеров являются следующие: точность измерения, разрешающая способность, помехоустойчивость, интервал однозначного измерения дальности, надежность работы.

Точность измерения дальности характеризуется систематическими и случайными погрешностями измерения дальности, которые, как правило, выражаются в абсолютных единицах — метрах.

Разрешающая способность по дальности характеризует возможность раздельного измерения дальности до нескольких близко расположенных объектов. Численно разрешающая способность по дальности оценивается тем минимальным значением разности наклонных дальностей до двух одинаковых объектов, при котором они воспринимаются раздельно.

Помехоустойчивость характеризует работоспособность радиодальномера в условиях воздействия различного рода помех. Действие помех на дальномер проявляется двояко: во-первых, ухудшаются его основные тактические характеристики (уменьшается увеличиваются ошибки измерения) и, во-вторых, может наступить полная потеря работоспособности.

Количественно помехоустойчивость принято оценивать по наиболее типичному виду помех — флуктуационным шумам. В качестве меры помехоустойчивости чаще всего принимается среднеквадратическое значение флуктуационной ошибки измерения при заданном энергетическом соотношении сигнал/шум на входе приемника — энергия сигнала, — спектральная плотность, или «энергия» шума). Значение минимально возможное при заданном значении и заданной форме излученного сигнала, характеризует потенциальную точность [13] измерения. Структура дальномера, реализующая потенциальную точность, в статистической теории радиолокации называется оптимальной.

Интервал однозначности измерения дальности определяется граничным значением дальности вплоть до которого сохраняется однозначность измерения. При дальномер является однозначным измерителем, при — неоднозначным. В последнем случае требуется дополнительная информация для разрешения неоднозначности.

Надежность работы является одной из важнейших тактических характеристик дальномера. К большинству современных РИУ, представляющих собой сложные комплексные системы, состоящие из громадного числа радиоэлементов, предъявляются требования сохранения всех своих тактических параметров в весьма тяжелых условиях эксплуатации (значительного перепада температур окружающей среды, повышенной влажности, вибрации, радиации и пр.).

Кроме того, дальномерные РИУ характеризуются диапазоном измерения дальности и числом объектов, до которых возможно одновременно измерять дальность.

Диапазон измерения дальности определяется минимальной и максимальной границами работы РИУ с заданной точностью измерения. Область значений дальности определяет так называемую «мертвую» зону РИУ по дальности.

Число целей, до которых может одновременно измеряться дальность, характеризует «производительность» дальномера.

Как уже отмечалось, наибольшее применение в современных радиодальномерах находит импульсный метод. Этот метод применяется практически во всех дальномерах, от которых требуется высокая точность, разрешающая способность и помехоустойчивость в сочетании с простотой технической реализации. Период модуляции (период повторения импульсов) выбирается в соответствии с требованиями к однозначности измерения, т. е.

Ширина спектра модуляции излученного сигнала выбирается в соответствии с разрешающей способностью

где — элемент разрешения по дальности.

При использовании обычных сигналов разрешающая способность определяет длительность импульса

При использовании широкополосных сигналов длительность импульса не связана с разрешающей способностью. Величина для широкополосных сигналов выбирается так, чтобы при известной пиковой мощности сигнала принятого от цели на максимальной дальности, известной «энергии» шума и выбранных значениях, периода модуляции и времени наблюдения цели (или времени сглаживания выходных данных Тсгл) обеспечить требуемое энергетическое отношение сигнал/шум для достижения заданной точности измерения.

Характер зависимости от и других перечисленных параметров определяется следующим выражением:

где — энергия сигнала, выделяемая за один период повторения

— полная энергия сигнала, выделяемая за время (предполагается, что отношение целое число).

Однако выражение (X. 20) приближенно справедливо и в более общем случае, когда отношение но не является целым числом). Из выражения следует, что чем больше тем при меньшем значении пиковой мощности принятого импульса может быть достигнуто требуемое значение Возможность обеспечить при ограниченной пиковой мощности зондирующего импульса

высокую помехоустойчивость дальномера без ухудшения его разрешающей способности является главным достоинством широкополосных сигналов, обусловившим их применение в современных РИУ.

Фазовый метод имеет низкую помехоустойчивость и не обладает разрешающей способностью по дальности. Поэтому он применяется лишь в простейших измерителях типа теллурометров — геодезических приборов для измерения расстояний.

Частотный метод с периодической линейной модуляцией несущего колебания можно рассматривать как предельный случай импульсного метода, при котором длительность частотно-модулированного импульса равна периоду повторения. Поэтому принципиально частотный метод обладает всеми достоинствами импульсного метода. Однако в связи с техническими трудностями генерирования и приема (обработки) ЧМ сигнала большой длительности этот метод не нашел широкого применения. Частотный метод используется в своем простейшем варианте (без реализации разрешающей способности) в таких измерителях, как радиовысотомеры.

Рассмотрим теперь в общих чертах основные функции, выполняемые приемно-измерительным трактом дальномера, состав аппаратуры этого тракта, ее характеристики и предъявляемые к ней требования.

Условно приемно-измерительный тракт можно разбить на две части: высокочастотную — приемник и низкочастотную, оканчивающуюся собственно измерителем. Разделяются эти части тракта детектором, предназначенным для выделения огибающей принятого радиосигнала.

Приемник служит для усиления отраженного радиосигнала до величины, достаточной для дальнейшего использования [201, [22].

Приемник — это линейный фильтр радиосигнала, несущего информацию о дальности (и других координатах) цели. В оптимальном дальномере используется оптимальный линейный фильтр (ОЛФ), обеспечивающий на своем выходе максимум отношения сигнал/шум по мощности

Инженерные вопросы синтеза ОЛФ и исследования их свойств рассмотрены в монографии [15].

ОЛФ для принимаемой пачки импульсов — гребенчатый фильтр, частотная характеристика которого представляет собой последовательность отдельных полос пропускания («зубцов»), следующих с интервалами, равными частоте повторения импульсов и имеющих ширину, определяемую временем наблюдения

Общая ширина полосы, занимаемой всеми зубцами частотной характеристики, определяется шириной спектра модуляции сигнала или для обычных сигналов причем число

зубцов в этой полосе приближенно определяется соотношением

Все операции, выполняемые гребенчатым фильтром, можно рассматривать как внутрипериодную и межпериодную обработку радиосигнала. Внутрипериодная обработка — выделение из шумов каждого отдельного импульса, межпериодная — накопление импульсов пачки. Хотя принципиально гребенчатый фильтр может быть выполнен на высокой частоте, технически сделать это весьма сложно. Поэтому в приемнике обычно осуществляется лишь внутрипериодная обработка сигнала, а межпериодная обработка выполняется на низкой частоте.

При обычных сигналах близкая к оптимальной внутрипериодная обработка реализуется довольно просто [4], [26]. Для этого достаточно лишь согласовать полосу пропускания реального приемника с длительностью импульса:

Значительно сложнее реализация оптимальной внутрипериодной обработки для случая широкополосных сигналов. Так, для обработки сигналов с внутриимульсной частотной модуляцией в приемнике должен быть применен фильтр, укорачивающий длительность импульса — сжимающий фильтр.

Сущность обработки частотно-модулированного импульса заключается в следующем. Радиоимпульс длительностью обладающий энергией «сжимается» фильтром в раз, так что при сохранении энергии его длительность уменьшается в раз, а пиковая мощность соответственно возрастает в то же число раз называется коэффициентом сжатия). Благодаря сжимающему фильтру реализуется высокая разрешающая способность и точность дальномера при использовании широких импульсов.

При решении вопроса о применении в дальномере широкополосных сигналов следует учитывать, что аппаратура их обработки значительно сложнее аппаратуры обработки обычных сигналов.

К наиболее существенным техническим параметрам приемника относятся коэффициент шума и динамический диапазон передаваемых амплитуд.

Коэффициент шума показывает, на сколько децибелл ухудшается соотношение сигнал/шум на выходе реального приемника по сравнению с соотношением сигнал/шум на выходе «идеального» приемника (т. е. приемника, не добавляющего собственных шумов к тепловым и внешним шумам). В современных высококачественных приемниках коэффициент шума обычно составляет дб. [20].

Динамический диапазон приёмника должен быть таким, чтобы минимального сигнала было достаточно для нормальной работы измерительной части тракта, а максимальный сигнал не приводил к перегрузке приемника.

Диапазон изменения амплитуд принятого сигнала в РИУ может составлять 100 дб и более.

Для исключения перегрузки приемника и стабилизации уровня выходного сигнала используются различные схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) и нормирования несущего сигнала.

Применяются также схемы ограничителей уровня сигнала [22], [20].

В зависимости от способа детектирования выходного радиосигнала приемника различают некогерентные и когерентные дальномерные РИУ. В некогерентном дальномере используется обычный амплитудный детектор, чувствительный лишь к огибающей радиосигнала и разрушающий информацию, заложенную в его фазе. В когерентном дальномере для детектирования радиосигнала используется когерентный (фазовый) детектор, обладающий чувствительностью к огибающей и к мгновенному значению фазы радиосигнала.

Когерентные дальномеры используются для защиты от пассивных помех, таких, например, как отражения от земли и местных предметов, и повышения помехоустойчивости при слабом сигнале. При фазовом методе всегда используются когерентные дальномеры, так как некогерентные дальномеры не обеспечивают необходимой развязки приемно-измерительного тракта от просачивающегося сигнала передатчика [20].

В низкочастотной (последетекторной) части дальномера осуществляется межпериодная обработка сигнала и его демодуляция. Межпериодная обработка сигнала как операция, предшествующая демодуляции, характерна для дальномерных РИУ обнаружения. В дальномерных РИУ сопровождения операция демодуляции может быть совмещена с межпериодной обработкой, причем предшествовать последней.

Межпериодная обработка в некогерентных импульсных дальномерных РИУ обнаружения заключается в накоплении импульсов пачки.

В когерентных РИУ для защиты от маскирующих пассивных помех применяется аппаратура селекции движущихся целей (СДЦ) [3], [5]. Основным элементом аппаратуры СДЦ когерентно-импульсных РИУ, непосредственно осуществляющим подавление сигналов от неподвижных (или малоподвижных) целей, является устройство череспериодной компенсации (ЧПК). Устройство ЧПК включается между когерентным детектором и накопителем импульсов. Принцип работы устройств ЧПК основан на вычитании импульсов каждого следующего и предыдущего периодов повторения. Поскольку видеоимпульсы от неподвижных целей имеют в каждом периоде повторения одинаковую амплитуду, они компенсируются. Последовательность же видеоимпульсов, полученных от движущихся целей, модулирована по амплитуде допплеровской частотой, поэтому она проходит на выход устройства. Перед подачей на накопитель

эта последовательность импульсов с помощью выпрямителя преобразуется в однополярную последовательность импульсов.

Система ЧПК с накопителем не является устройством оптимальной межпериодной обработки когерентного сигнала, так как она не реализует разрешающей способности по скорости (частоте), заложенной в таком сигнале.

В когерентных РИУ более поздних разработок начала применяться аппаратура, реализующая разрешающую способность по частоте, заложенную в излученном сигнале [24]. Такая аппаратура осуществляет не только селекцию движущихся целей по отношению к неподвижным, но и селекцию целей по скорости их движения (СЦСД). Некоторое усложнение такой аппаратуры позволяет измерять также скорость целей.

Для извлечения информации, заложенной в параметрах видеосигнала, прошедшего межпериодную обработку, необходимо произвести его демодуляцию, т. е. выполнить операцию, обратную вторичной модуляции несущего колебания. Устройства, осуществляющие эту операцию в радиотехнике, называют демодуляторами.

В случае импульсного метода демодуляция — непосредственное измерение времени задержки сигнала.

Для измерения временной задержки сигнала достаточно зафиксировать одним из известных способов его временное положение [17] и затем непосредственно измерить временной интервал между положениями сигнального и опорного импульсов, преобразовав его в какую-либо аналоговую или цифровую форму [8], [14].

Фиксация временного положения импульса решается совместно с задачей его обнаружения. Обнаружение осуществляется путем сравнения амплитуд сигналов на выходе накопителя с некоторым пороговым уровнем (порогом). По результатам этого сравнения судят о наличии импульса в данном элементе дистанции. Из-за статистической природы шумов решение задачи обнаружения сопровождается неизбежными ошибками: так называемой ложной тревогой и пропуском сигнала. Ложная тревога — это превышение порога шумовыми выбросами в тех элементах дистанции, где сигнал отсутствует.

Пропуск сигнала — это случай, когда из-за наложения шумов порог не превышается в тех элементах дистанции, где имеется сигнал.

Порог обычно устанавливается по отношению к шумам на таком уровне, чтобы зафиксировать некоторую достаточно малую вероятность ложной тревоги . При фиксированном пороге вероятность пропуска сигнала в каждом элементе дистанции, где он имеется, определяется соотношением сигнал/шум по мощности

на выходе накопителя. При оптимальной внутрипериодной и межпериодной обработке сигнала при заданном обеспечивается не только минимум но и минимум любом фиксированном значении Следовательно, оптимальная обработка сигнала обеспечивает не только потенциальную точность измерения его параметра, но и потенциальную надежность обнаружения.

Фиксируется временное положение лишь тех импульсов, которые прошли через пороговое устройство. Оптимальная фиксация заключается в определении момента времени, соответствующего максимуму каждого импульса. Шумы, прошедшие через пороговое устройство вместе с импульсом, смещают его максимум, в результате чего и возникает флуктуационная ошибка измерения. Один из возможных методов фиксации максимума сигнала заключается в определении момента времени перехода его производной через нулевой уровень.

В дальномерных РИУ сопровождения для фиксации временного положения сигнала применяется нулевой метод с использованием принципа обратной связи. С помощью дискриминатора временное положение несущего сигнала сравнивается с временным положением некоторого измерительного сигнала (визира). В результате такого сравнения вырабатывается сигнал ошибки, который управляет временным положением измерительного сигнала так, чтобы свести рассогласование к нулю. Использование принципа обратной связи позволяет обеспечить большую помехоустойчивость фиксации временного положения сигнала.

Для отсчета дальности временное положение измерительного сигнала должно быть преобразовано в аналоговую или цифровую форму. Дальность можно непосредственно считывать с выхода управляющего устройства, которым регулируется временное положение измерительного сигнала. Для этого в цепь обратной связи должен быть включен точный преобразователь «управляющий сигнал — временная задержка». Если управляющее устройство является аналоговым, в цепи обратной связи используется преобразователь «напряжение — задержка». В цифровых измерителях в цепи обратной связи включается преобразователь «код — задержка».