Моноимпульсные системы измерения угловых координат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Моноимпульсные системы измерения угловых координат (УК) предназначены для слежения за воздушными , а в некоторых случаях и за наземными целями. Основу таких систем составляют моноимпульсные радиопеленгаторы (МИ РП) , широкое применение которых объясняется большой точностью по сравнению с другими угломерными устройствами.

Моноимпульсные радиопеленгаторы (РП) -многоканальные угломерные устройства, предназначенные, как правило , для автоматического определения направления на цель в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (например, в вертикальной и горизонтальной). При этом в состав МИ РП входят два идентичных канала: азимутальный и угломерный. В дальнейшем РП угол обозначается через и в зависимости от рассматриваемого канала имеет смысл УК цели в той или другой плоскости.

Рис.1

Обобщенная структурная схема МИ РП (рис.1) , предназначенного для определения одной УК , содержит антенную систему АС , выполняющую функцию углового датчика УД системы , следящей за углом ; преобразователь Пр; угловой дискриминатор УДис и устройство управления диаграммой направленности УУДН (экстраполятор). Угловой дискриминатор при определении одной УК состоит из двух приемно-усилительных трактов ПУТ-1 и ПУТ-2 и устройства сравнения УС информативных параметров сигналов. Если значения и не совпадают, то УС вырабатывает сигнал ошибки , под действием которого УУДН поворачивает диаграмму направленности антенны (ДНА) или саму антенну до тех пор , пока не будет достигнуто равенство = и сигнал ошибки не станет равным нулю. Данные об угле снимаются с УУДН.

Угловые датчики в зависимости от вида формируемого информативного параметра сигнала разделяют на амплитудные и фазовые.

Амплитудный УД -антенная система с двумя (при пеленгации в одной плоскости) пересекающимися ДНА f() и f(). Диаграммы направленности антенной системы амплитудного УД в полярной и декартовой системах координат и формируемые датчиком сигналы показаны на рис.2,а. Информация о заложена в разности амплитуд U=U-U сигналов , принимаемых по этим ДНА. Направление , соответствующее пересечению ДНА , называется равносигнальным (РСН). Амплитуды U и U при отклонении цели на угол от РСН (угол рассогласования) определяют по формулам

U=U f(+); U= Uf(-) ,

где U-амплитуда сигнала , принимаемого в максимуме ДНА; - угол отклонения максимума ДНА от РСН.

Считается, что функции f()=f()=f(). Разложение функций f() в ряд по степеням при малости и f( )=1 дает

U= U;

U,

где - крутизна ДНА на РСН.

В амплитудных УД угол пересечения ДНА на уровне половинной мощности является оптимальным по критерию максимума произведения мощности принимаемого сигнала на крутизну пеленгационной характеристики (крутизну ДНА на РСН). При этом и оптимальное значение крутизны составляет . Под понимается ширина ДНА по половинной мощности.

Выбор структурной схемы радиопеленгатора

Структурная схема импульсного РЛ показана на рис.3. Источником всех частот и синхросигналов служит синтезатор частот СЧ. В целях повышения потенциала РЛ , облегчения селекции движущихся целей и измерения скорости целесообразно строить РЛ по по истинно когерентной схеме. Цифровой обнаружитель движущихся целей ЦОДЦ в режиме измерения позволяет определить радиальную скорость цели , для чего может быть использована информация с фильтрового цифрового устройства селекции движущихся целей ЦСДЦ.

Эта информация, получаемая с измерителя дальности ИД и устройства управления диаграммой направленности УУДН антенной системы АС , подаются в ЦВМ обработки информации ЦВМ ОИ. Устройство УУДН вместе с устройством вычитания входят в состав угломерного канала РЛ.

Рис.3

Исходная структурная схема угломерного канала определяется заданным типом МИ РП. В нашем случае это амплитудно-амплитудный моноимпульсный радиопелингатор.

Амплитудный суммарно-разностный моноимпульсный радиопеленгатор

Структурная схема амплитудный суммарно-разностный моноимпульсный радиопеленгатор представлена на рис.4. Допустим что комплексные коэффициенты передачи высокочастотных цепей по суммарно-разностного роста одинаковы, т.е. g0=К01/К02=1 и =0. Тогда сигналы на выходах ПТУ-1 и ПТУ-2 при действии МАРУ по суммарному сигналу можно записать

U (t) =cosпр t ;

Рис.4

Каждый из ПУТ входят высокочастотная цепь ВЧЦ , смеситель См , логарифмический усилитель промежуточной частоты ЛУПЧ и амплитудный детектор АД. На выходах АД действуют сигналы:

;

,

где -коэффициенты усиления ЛУПЧ на линейном участке амплитудной характеристики (рис.5) ; - амплитуда сигнала на входе ЛУПЧ , соответствующая началу логарифмического участка амплитудной характеристики; -коэффициенты усиления ВЧЦ;

- нормированное значение амплитуды входного сигнала МИ РП.

Коэффициенты передачи смесителей и детекторов примерно равны.

При и напряжение на выходе схемы вычитания СВ , т.е. на выходе углового дискриминатора , определяют из выражения:

Особенностью амплитудно-амплитудного моноимпульсного радиопеленгатора яв-ся:

нормировка сигналов осуществляется при формировании отношения ;

выходной сигнал углового дискриминатора инвариантен к разности фазовых сдвигов в ПУТ-1 и ПУТ-2;

сигнал зависит от идентичности амплитудных характеристик ПУТ-1 и ПУТ-2.

Неидентичность коэффициентов усиления ПУТ-1,2 приводит к аппаратурной погрешности пеленгации. При и выходное напряжение углового дискриминатора

,

где .

Значение относительной аппаратурной погрешности , соответствующее вычисляются из соотношения:

;

в котором учтено , что .

Целесообразно так выбирать параметры ЛУПЧ, чтобы на максимальной дальности. Для нахождения зависимости погрешности от расстояния до цели можно рассчитать несколько значений при . Соответствующие дальности нетрудно найти , используя основное уравнение радиолокации , из которого следует , что при и прочих равных условиях и пропорциональны (.

Аппаратурная погрешность АА МИ РП увеличивается с ростом амплитуды входного сигнала (с увеличением ) по мере сближения с целью. Наихудшая точность имеет место, когда и или и . Наибольшее влияние на аппаратурную погрешность оказывает неидентичность коэффициентов усиления и (т.е. значение g).

радиопеленгатор датчик сигнал моноимпульсный



Рис.5

Коррекция амплитудных характеристик ПУТ-1, -2 является действенным средством снижения аппаратурной погрешности.

Наиболее эффективна коррекция коэффициентов и , при которой схема поддерживает .

Значение при тщательном конструировании высокочастотных цепей близко к единице. Если отличается от единицы , то схема коррекции должна охватывать и высокочастотные цепи , т.е. точка ввода пилот-сигнала должна быть перенесена на вход всего тракта. Наилучшие результаты дает использование специального излучателя антенной системы , на который подается высокочастотный пилот-сигнал.

Точность моноимпульсных радиопеленгаторов

Источники погрешностей МИ РП связаны с характеристиками среды распространения радиоволн , пеленгуемой цели и аппаратуры МИ РП. К первой группе источников погрешностей относятся отражения от подстилающей поверхности и тропосферная рефракция. Вторая группа включает флюктуации амплитуды и фазы принимаемого сигнала , т. е. амплитудный и фазовый шумы. Влияние амплитудного шума на точность МИ РП устраняют при нормировке сигнала с помощью быстродействующих схем АРУ или формирователей отношения сигналов , а также при амплитудном ограничении последних. Третья группа источников связана с шумом и неидентичностью приемных трактов и характеристиками следящей системы МИ РП.

Погрешности пеленгации выражают либо в относительных единицах (например , в значениях ) , либо в угловых единицах. Суммарная средняя квадратичная погрешность определения УК рассчитывается по формуле

,

где - дисперсия погрешности , вызываемой источником .

Составляющие считаются независимыми. Как правило, наибольший вклад в вносят аппаратурная и фюктуационная погрешности , а также погрешность , вызываемая угловым шумом. На рис.6 показаны графики зависимости основных составляющих от относительной дальности , где - дальность действия МИ РП. Для удобства погрешности нормированы к .



Рис.6

Пеленгационная чувствительность , т.е. крутизна пеленгационной характеристики в рабочей точке , связывает погрешность измерения информативного параметра сигнала с погрешностью определения угловой координаты :

= .

Пеленгационная чувствительность МИ РП при приведена в табл.1

Таблица 1.

Влияние земной поверхности на точность РП проявляется в основном в наземных МИ РЛ и связано с отраженным от поверхности Земли сигналом.

Интерференция прямого и отраженного сигналов приводит к изменению амплитуды и фазы результирующего сигнала.

Тропосферная погрешность - следствие рефракции радиоволн в тропосфере. Наблюдаются систематические и флюктуационные тропосферные погрешности.

Последние возникают в азимутальном канале из-за дрейфа тропосферных неоднородностей и из-за их малости не учитываются.

Коэффициент преломления n тропосферы зависит от высоты , что и является причиной тропосферной рефракции. Обычно используют экспоненциальную модель тропосферы и оперируют с индексом преломления

где -значение на уровне земной поверхности , а высота H выражается в километрах. Считается, что верхняя граница тропосферы составляет 8 км.

Систематическая погрешность по углу определяется по графику , приведенному на рис.7 , и зависит от высоты цели и угла места ( а следовательно и от наклонной дальности до цели R). Из рисунка можно сразу получить зависимость , для нахождения которой необходимо знать и диапазон изменения , соответствующий выбранной или заданной тактической ситуации. Тогда , следуя по штриховой линии () точки , ординаты которых - искомые значения , а абсциссы - соответствующие им дальности R.

Влияние углового шума приводит к погрешности , возрастающей по мере уменьшения расстояния до цели.

Угловой шум представляет собой флюктуации угла прихода отраженных от цели сигналов , он обусловлен многоточечной структурой отражающей поверхности цели. Изменения положения и дальности цели в процессе определения УК сопровождаются флюктуациями наклона фазового фронта отраженной волны и блужданиями центра отражения относительно физического центра цели.

Рис.7

Погрешность рассчитывается в предположении , что максимальный размер цели меньше линейной тангенсальной разрешающей способности МИ РП , цель находится на расстоянии R от радиопеленгатора и на оси ДНА. Тангенсальная разрешающая способность

определяется в направлении , перпендикулярном линии визирования цели. Значение средней квадратической погрешности (в радианах) определяется по формуле:

.

Флюктуационная погрешность вызывается собственными шумами приемных трактов МИ РП и является , как правило , основной причиной снижения точности пеленгации на предельных дальностях.

Относительную флюктуационную погрешность на максимальной дальности для амплитудно-амплитудного МИ РП рассчитывают с помощью приведенного соотношения:

где .

В радиолокаторах , где для излучения , как и в АА МИ РП используется «суммарная» ДНА , создаваемая всей апертурой и определяющая разрешающую способность,

.

При вычислении вышеуказанное выражение преобразуется к виду:



Если в МИ РП применена неподвижная антенна , например ФАР с большой апертурой , и слежение производится пктем поворота ДНА , то

где - максимальный угол ДНА от перпендикуляра к базе антенн.

Аппаратурная погрешность - следствие неидентичности приемных трактов , которая при одинаковых значениях информативных параметров принимаемых сигналов может привести к появлению сигнала ошибки на выходе углового дискриминатора и отклонению ДНА от истинного направления на цель. Неидентичность ДНА влияет на точность МИ РП так же , как и разбаланс высокочастотных трактов , и может быть учтена в соответствующих характеристиках последних.

Для уменьшения аппаратурных погрешностей В МИ РП используют либо объединение приемных трактов , либо коррекцию характеристик одного приемного тракта по другому , который принимается за опорный.

Метод объединения приемных трактов иллюстрируется рис.8. Сигналы с антенной системы АС после предварительного усиления в блоке ПУ поступают на блок объединения сигналов БОС , где каждому сигналу с помощью , например , модуляции присваивается индивидуальный признак. Основное усиление и преобразование сигналов происходит в общем приемно-усилительном тракте ПУТ. На выходе ПУТ сигналы разделяются ( например , с помощью демодуляции и фильтрации) в блоке разделения БРС и поступают на устройство сравнения УС. Протяженность раздельных трактов при этом сокращается , что сопровождается снижением аппаратурной погрешности.



Рис.8

Рис.9

Метод коррекции предусматривает выравнивание коэффициентов усиления и (или) фазовых сдвигов ПУТ (рис.9). От генератора пилот-сигнала ГПС на входы ПУТ-1 и-2 через коммутатор К-1 периодически подаются одинаковые сигналы. При этом с устройства сравнения УС снимается сигнал ошибки , зависящий от рассогласования трактов по коэффициенту усиления и по вносимым фазовым сдвигам. Сигнал ошибки поступает через коммутатор К-2 , переключающий информативный , идущий к устройству управления диаграммой направленности УУДН , выход УС на блок управления БУ. Последний изменяет коэффициент усиления и (или) фазовый сдвиг сигнала в тракте ПУТ-2 до устранения разбаланса ПУТ-1 и ПУТ-2 , когда сигнал ошибки становится равным нулю. Коммутаторы К-1 и К-2 работают синхронно. Чем ближе ко входу МИ РП подается пилот-сигнал , тем большая часть угломерного канала оказывается охваченной коррекцией и тем меньше остаточная аппаратурная погрешность.

Дальность действия моноимпульсных систем измерения угловых координат

Энергетические параметры МИ систем определяются из основного уравнения радиолокации. При пользовании этим уравнением следует учитывать тип устройства , которое подлежит расчету , и поглощение электромагнитной энергии при распространении. При расчете радиолокатора (РЛ) учитывается ЭПР цели и прохождение сигнала до цели и обратно , а дальность действия РП определяется мощностью сигнала , излучаемого целью и проходящего только от цели до РП. Особенность расчета -определение пороговой мощности , значение которой должно обеспечить требуемую точность , а не вероятные характеристики обнаружения сигнала.

Если задано значение , то можно определить требуемое для расчета значение :

.

Дальность действия РП рассчитывается по формуле

Коэффициент поглощения определяется для указанных в задании метеоусловий с помощью графиков и таблиц. Для оценки можно использовать рис.10. Целесообразно при определении суммарных потерь из-за поглощения электромагнитной энергии разработать тактическую ситуацию использования МИ РП , т.е. указать , на каком участке распространения радиоволн предполагается наличие осадков. Выбранное значение следует подставить вместо в показатели степени в вышеуказанной формуле. Данная мера позволит избежать чрезмерного увеличения мощности передатчика.

Выбор и расчет основных параметров , определяющих дальность действия , производится на основе следующих соображений и соотношений. Длина волны выбирается исходя из компромиссного подхода: при заданном размере апертуры (раскрыва) антенны в плоскости угла с уменьшением растет , что способствует повышению . Однако одновременно увеличиваются потери энергии при распространении сигнала (рис.11). В наземных РЛ и РП , где ограничения на размеры антенны менее жесткие , целесообразно для увеличения применять радиоволны дециметрового диапазона (=10…20см). В бортовых РЛ и РП используют сантиметровые волны (3см) , а при небольших дальностях ( менее 30км)-миллиметровые волны , соответствующие «окнам прозрачности» тропосферы (например , =0,8 см).

Параметры антенной системы , в первую очередь , зависят от заданной разрешающей способности .

Во всехМИ РП , кроме фазово-фазовых , можно считать ,что

.

Это соотношение позволяет найти ширину ДНА по половинной мощности . Коэффициент усиления антенны рассчитывается по формуле

,

где - коэффициент полезного действия.



Рис.10 Рис.11

Пороговая мощность определяется соотношением:

где - длительность импульса ( считается , что принимаемые сигналы имеют прямоугольную форму).

Используя ранее указанную формулу и вводя коэффициент потерь на обработку , получим при выдаче результата пеленгации по одному импульсу:

Коэффициент потерь рассчитывают из выражения:

где - частные коэффициенты потерь.

Основные из этих коэффициентов следующие:

- потери из-за деления мощности , принимаемой одной антенной , между несколькими ПУТ. Коэффициент учитывается в суммарно-разностных МИ РП и составляет =2 при пеленгации в одной плоскости и =4 , когда измеряются две УК;

- потери из-за неоптимальной фильтрации в УПЧ. Можно считать , что ( дБ);

- потери при детектировании. В МИ РП с фазовым детектором =1. В амплитудно-амплитудном МИ РП при использовании квадратичных детекторов в каждом из ПУТ значение = определяется из соотношения:

,

где и - отношения сигнал/ шум соответственно на входе и выходе детектора.

Рассчитанное значение следует увеличить в два раза , так как мощности шумов приемных трактов АА МИ РП суммируются на выходе углового дискриминатора;

- неоптимальность видеоусилителя , включенного после углового дискриминатора. При определении следует учитывать , что оптимальная обработка сигнала в УПЧ приводит к изменению формы импульса. При треугольном импульсе и после видеоусилителя

где - длительность треугольного импульса по уровню 0,5 , коэффициент .

Накопление энергии сигнала может потребоваться, когда , и для достижения такого необходимо или увеличить мощность передатчика , или сокращать дальность действия РЛ. В подобной ситуации целесообразно оценивать УК по импульсам , накопленным после углового дискриминатора. При этом:

Накопление сигналов сопровождается ростом инеционности измерителя и возможным ухудшением из-за накопления шума за интервалы между импульсами. Время накопления должно быть таким , чтобы за это время не происходило значительного (например , превышающего 0,1) углового смещения цели , и должно уменьшаться при сближении с целью. Если такое уменьшение не предусмотрено , то с

(.

Во избежание накопления шума требуется стробирование ПУТ , при котором ПУТ открывается на время , равное длительности импульса , только в момент ожидаемого приема отраженного сигнала. Возникающие из-за стробирования потери зависят от точности совпадения строба и импульса и от формы последнего. При тщательном конструировании коэффициент потерь .

Зависимость от расстояния до цели приводит к уменьшению флюктуационной погрешности на малых дальностях. Зависимость удобно рассчитывать с помощью:

,

где - коэффициент , объединяющий все независящие от дальности параметры РЛ.

С учетом того , что пропорциональна , получаем формулу для расчета флюктуационной погрешности на дальности :

где - флюктуационная погрешность при наибольшем удалении от цели.

Расчетная часть

Расчет параметров углового датчика и зондирующего сигнала

Определяем длину волны по заданной разрешающей способности по УК и размеру апертуры антенны .

= 0,65*1* = 0,01м

Определяем длительность импульса по заданной разрешающей способности по дальности

с= 0,667 мкс

период повторения импульсов

с = 0,667 мс

При необходимости коррекции принимаем и получаем

= 667 + 50 = 717 мкс.

Определяем ширину ДНА и коэффициент усиления

Для зеркальной антенны с круглой апертурой ширина ДНА

Коэффициент усиления равен

,

где .

Угол отклонения максимума ДНА от РСН

Крутизна ДНА на РСН

Энергетический расчет радиолинии

Рассчитываем пороговое значение отношения мощностей сигнала и шума на выходе углового дискриминатора

, отсюда

Определяем отношение на входе приемного тракта с учетом потерь

где = 2 ; ; ; ; .

2+1,26+4+1+1,5 = 9,77

, отсюда = 9.77*625 = 4350 (у него ошибка должно быть 6100)

Используя соотношения :

; и

, находим

Причем ; ; .

Из компромиссных соображений ограничимся

(у него ошибка должно быть 0,0183)

Вт.

Учитывая (см.рис.10) получаем максимальную дальность действия РЛ при наличии осадков :

= = 100* = 77км. (у него ошибка должно быть 12,59)

Пологая , что = и коэффициент раскрыва антенны 0,8 рассчитываем требуемую мощность передатчика :

отсюда получаем

= 73 кВт.

Расчет аппаратурной погрешности

При ( в соответствии с рекомендациями к формуле ). При заданных неидентичностях приемных трактов относительная аппаратурная погрешность:

Для достижения заданного значения значения в данном РЛ эффективна коррекция коэффициента передачи ЛУПЧ с помощью схемы подобной показанной на рис.9 .

Определяем требуемое для обеспечения заданной погрешности значение

Расчет суммарной погрешности

;

Заключение

В зависимости от используемого метода сравнения сигналов и выделения сигнала рассогласования моноимпульсные системы имеют три разновидности: фазовые, амплитудные и суммарно-разностные.

Система с фазовой пеленгацией имеет антенную систему с двумя разнесенными на некоторое расстояние фазовыми центрами. Практически два фазовых центра могут быть получены , например с помощью двух разнесенных на расстояние d антенн. При этом оси диаграмм направленности параллельны. Преимуществом данного вида является то , что в этом случае из следящей системы исключаются двигатели , что способствует повышению ее быстродействия и дает возможность сделать систему компактной , легкой , надежной и экономичной , а также бесшумной.

Моноимпульсный измеритель с амплитудной пеленгацией имеет антенну , формирующую две пересекающиеся ДНА , образующие равносигнальное направление , совпадающее с осью антенны.

Если направление на источник сигнала лежит в азимутальной плоскости и отклонено от равносигнальной оси на угол , то разность амплитуд сигналов и на входе приемных каналов является мерой угла рассогласования . Для уменьшения влияний интенсивности принимаемого сигнала , а также коэффициента усиления каналов на значение измеряемого угла применяется вычитание сигналов , усиленных УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой и продетектированных линейным детектором.

В этом случае зависимость измеряемого угла от интенсивности принимаемого сигнала при использовании логарифмических усилителей исключается.

Суммарно-разностный вариант моноимпульсного измерителя является наиболее совершенным , так как теоретически позволяет исключить влияние изменений амплитуды и фазы принимаемых сигналов на стабильность равносильного направления пеленгационной характеристики и тем самым обеспечить наибольшую точность определения направления.

В заключении отметим , что моноимпульсная система может быть использована также для поиска цели и для одновременного измерения координат нескольких целей. В этих случаях сигнал на выходе углового дискриминатора является мерой угла отклонения направления на цель от радиальной оси. Для измерения угловых отклонений производится предварительная калибровка системы. Полученные данные могут быть введены в память ЭВМ при автоматических измерениях или использованы оператором при измерении углов с помощью индикатора.

При поиске целей и измерении угловых координат нескольких целей необходимо их разрешение в пределах ДНА. Такое разрешение можно осуществить селектированием сигнальных импульсов по дальности , если объекты расположены на различных дальностях. При этом можно измерить угловые координаты каждого объекта по выходному напряжению ФД соответствующего канала.

Литература

1. А.А. Сосновский О.Н. Тельпуховская «Моноимпульсные системы измерения угловых координат». Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования.

2. Ю.М.Казаринов « Радиотехнические системы».

3. Финкельштейн М.Н. «Основы радиолокации». Учебник для вузов.

Размещено на Allbest.ur

...