Методы измерения угловых координат

                   Методы измерения угловых координат

 

     Угломерное устройство содержит антенну, (антенную систему), приемник для обработки принятых сигналов радиолокационных сигналов и измерительное устройство. Одной из основных характеристик угломерного устройства является его пеленгационная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения приемника от направления прихода радиоволны U_вых(φ). В зависимости от того, какой параметр сигнала — амплитуда, частота или фаза — оказывает основное влияние на формирование пеленгационной характеристики, методы измерения угловых координат можно подразделять на амплитудные, частотные и фазовые.

 

   Амплитудные методы

     В настоящее время известны и широко используются несколько амплитудных методов:

максимума;

минимума;

сравнения;

равносигнальный.

    1.При пеленгации по методу максимума плавно изменяется угловое положение антенны, и она в течение некоторого времени принимает сигналы цели; отсчет угловой координаты цели производится в тот момент, когда амплитуда сигнала на выходе приемника достигает наибольшего значения. Структурная схема соответствующего угломерного устройства показана на рис. 1. Механизм поворота вращает антенну; одновременно приводится в действие указатель поворота, по шкале которого отсчитывается направление оси антенны. Когда цель окажется в пределах диаграммы направленности антенны F(φ), в приемник начнут поступать сигналы. Амплитуда сигналов зависит от углового положения антенны по отношению к цели. При вращении антенны выходное напряжение приемника U_вых повторяет форму диаграммы направленности антенны (рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это и будет пеленгационная характеристика угломерного устройства

 

                                  U_вых(φ)=kF(φ),                                 (1)

 

где k —коэффициент пропорциональности.

     Когда ось антенны совпадет с направлением на цель, выходное напряжение приемника достигнет максимума; в этот момент указатель поворота антенны покажет пеленг цели φ_ц.     

      Достоинствами метода являются простота его технической реализации, и получение наибольшей (при прочих равных условиях) амплитуды принимаемого сигнала в момент точного пеленга; другие амплитудные методы характеризуются меньшей амплитудой сигнала в момент пеленгации. Основной недостаток метода состоит в относительно низкой точности измерений угловой координаты.

    Точность измерения угла характеризуется пеленгационной чувствительностью, представляющей собой крутизну пеленгационной характеристики вблизи направления на цель:

 

                                                                                                  (2)

 

     Если измерительное устройство позволяет заметить минимальное изменение выходного напряжения, равное ∆U_мин, то эта величина связана с соответствующей угловой ошибкой ∆φ  соотношением

 

                                                                              (3)

 

 Следовательно, чем больше пеленгационная чувствительность, тем выше точность измерения угловой координаты.

     При пеленгации по максимуму для диаграмм направленности любого типа

пеленгационная чувствительность очень мала (при точном пеленге dU_вых/dφ = 0), поэтому и точность измерения координат относительно низка.

     2.Метод пеленгации по минимуму отличается тем, что отсчет угловой координаты производится в момент уменьшения до минимума выходного напряжения приемника.

 

     Диаграмма направленности антенны пеленгатора должна иметь в средней части провал до нуля. Этого можно добиться, например, если использовать две антенны, повернутые в пространстве одна относительно другой на угол, равный ширине диаграммы направленности по нулевому уровню (рис. 3, а). Схема пеленгационного устройства такая же, как и при пеленгации по максимуму ( рис. 1). Изменения амплитуды сигнала на выходе приемника при повороте антенны характеризуются графиком рис. 3, б; аналогичный вид имеет и пеленгационная характеристика U_вых (φ) = kF (φ), где функция

F (φ) — результирующая диаграмма направленности.

     При пеленгации по минимуму может быть получена высокая точность измерения угловой координаты, так как пеленгационная чувствительность велика. Но амплитуда сигнала вблизи направления пеленга мала; при точном пеленге она становится равной нулю.

     Практически по методу минимума можно пеленговать только источники мощного собственного излучения. Поэтому метод пеленгации по минимуму, получивший широкое применение в радионавигации, в радиолокации не используется.

       3.Метод сравнения характеризуется тем, что пеленг цели определяется по соотноше-

нию амплитуд сигналов, принятых одновременно двумя антеннами (рис.4).

     Графики рис. 5 характеризуют пространственное расположение диаграмм

направленности антенного устройства.

 

                              

                               

   Амплитуды сигналов на выходе приемников пропорциональны модулям векторов

F₁ (φ_ц) и F₂(φ_ц) (рис. 5):

 

                           U₁ = k₁F₁(φ_ц)   и   U₂ = k₂F₂(φ_ц).

 

     В счетнорешающей схеме осуществляется сравнение амплитуд сигналов. Технически наиболее просто осуществить вычитание одного сигнала из другого, т. е.

 

                          U_вых (φ) = k₁F₁(φ_ц) - k₂F₂(φ_ц).                                                (4)

 

При этом выходное напряжение зависит от абсолютных значений амплитуд сигналов и, следовательно, будет изменяться в зависимости от расстояния между РЛС и целью, отражающих свойств цели, поглощения в среде и т. д. Исключить влияние изменения амплитуд сигналов на результат измерений можно либо с помощью системы АРУ,

управляющей усилением обоих приемников, либо осуществляя деление одного сигнала на другой:

 

                             U_вых(φ) = k₁F₁(φ_ц) /k₂F₂(φ_ц).                                                (5)

 

     Выполняют, например, оба приемника с логарифмическими амплитудными характеристиками. Тогда на выходе приемников получим

 

                            U₁ ≡ln k₁F₁(φ_ц),   U₂ ≡ ln k₂F₂(φ_ц)

 

 

а после вычитания

 

                                          U_вых(φ) ≡ ln[k₁F₁(φ_ц) /k₂F₂(φ_ц)],                                                  (6)

 

т. е. пеленгационная характеристика представляет собой логарифм отношения амплитуд сигналов. Вид пеленгационной характеристики иллюстрирует рис. 6.

     Основным достоинством метода сравнения является возможность мгновенного определения направления на цель в пределах относительно широкого сектора при неподвижной антенной системе. Наиболее существенным недостатком является относительно низкая точность измерения, существенно меняющаяся в зависимости от вида и взаимного расположения диаграмм направленности антенн, а также от направления прихода волны.

     Частным случаем метода сравнения является равносигнальный метод пеленгации. Он также основан на сравнении амплитуд сигналов, принимаемых двумя антеннами, но для отсчета углового положения добиваются равенства сигналов. При пеленгации цели по равносигнальному методу антенное устройство поворачивают до тех пор, пока выходное напряжение [см. формулу (4)] не окажется равным нулю. В этот момент угловая координата цели определяется по положению антенны.

     Равносигнальный метод характеризуется высокой точностью, так как при измерении используется небольшой участок диаграмм направленности (вблизи равносигнального направления 00, рис. 5) с относительно большой крутизной. Этот метод часто используют для автоматического слежения за целью по угловым координатам. При этом выходное напряжение U_вых подводят к системе управления механизмом поворота антенны. В зависимости от знака рассогласования между равносигнальным направлением 00 и направлением на цель механизм будет поворачивать антенну в ту или иную сторону, чтобы свести напряжение U_вых к нулю; при этом равносигнальное направление антенны все время будет оставаться направленным на цель.

     Равносигнальный метод может быть реализован при использовании одной антенны, диаграмма направленности которой периодически изменяет свое положение в про странстве. В этом случае сравнению подлежат сигналы, принятые в различные моменты времени при разных положениях диаграммы направленности.

 

 

  Фазовые методы

     Фазовые методы основаны на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными антеннами. Пусть в точках 1 я 2 расположены две приемные антенны (рис. 7), расстояние между которыми (база)

 

 

 

 

равно d. Принятые антеннами сигналы подводятся к фазовому детектору. Выходное

напряжение фазового детектора будет определяться только разностью фаз колебаний (можно считать амплитуды обоих колебаний на входе детектора одинаковыми)

 

                                                           U_вых = k cos ∆ψ.

 

     Если направление прихода радиоволны составляет угол φ с перпендикуляром к базе, то фазовый сдвиг высокочастотных колебаний в антеннах равен

                                                                                                                (7)

 

а при малых значениях φ, когда приближенно можно считать sinφ≈φ,

 

                                                                                                                      (8)

 

С учетом (8) пеленгационная характеристика будет

 

                                                                           (9)

 

(кривая 1 на рис. 8).

     Измеряя U_вых, можно определить направление прихода радиоволны при неподвиж-ном антенном устройстве.

     Из формулы (9) можно видеть, что точность измерения угловой координаты вблизи значения φ = 0 низка. Кроме того, нельзя определить направление смещения цели от перпендикуляра к базе. Оба недостатка могут быть устранены, если ввести искусственный фазовый сдвиг сигнала на 90° в одном из

 

усилителей. На рис.7 такой фазосдвигающий элемент изображен пунктиром в верхнем усилительном канале.

     При введении дополнительного фазового сдвига получим

 

 

                                                                             ( 10)

(кривая 2 на рис. 8).        

    Метод характеризуется относительно высокой точностью измерения; он может быть использован для автоматического слежения за целями по угловым координатам. Существенными недостатками фазового метода являются неоднозначность отсчета и отсутствие разрешения целей. Если диапазон однозначного измерения фазы принять равным 2π, то пределы однозначного измерения угла могут быть определены с помощью формулы (8)

                                             

 

     При использовании сантиметровых волн обычно справедливо неравенство λ << d, поэтому ∆φ_одн<<1. Например, при λ = 3 см и d = 15 см, диапазон однозначного измерения угловой координаты фазовым методом составляет всего 11º,5.

 

 

     Неоднозначность измерения угловых координат фазовым методом может быть устранена, если в пеленгаторе используются антенны с достаточно узкими диаграммами направленности θ_А < Δф_одн, где θ_А — ширина диаграммы направленности антенны

 

                              Методы измерения радиальной скорости

     Измерение радиальной скорости основано на определении допплеровского сдвига частоты отраженного сигнала. Схема простейшей станции, обеспечивающей измерение допплеровской частоты сигналов, приведена на рис. 1.

 

 

                                               Рис.1

 

     Пусть РЛС расположена в точке А, а цель в точке В, причем цель перемещается относительно РЛС со скоростью v_R в радиальном направлении (рис. 2).

     Передатчик непрерывно излучает высокочастотные колебания, мгновенная фаза которой

 

                              φ₁ = ω₀t + φ₀₁.

 

     Мгновенное значение фазы отраженных сигналов

 

                              φ₂ = ω₀(t – t_з) + φ₀₁ +  γ                                                          (1)

 

где  t_з = 2R ́/c; 

R'— расстояние до цели в момент облучения;

γ — изменение фазы при отражении.

     За  время, в течение которого электромагнитная волна распространяется от цели до РЛС, расстояние между ними изменится и станет равным R ́

  

 

Подставив значение R' в (1), получим

 

                           

 

 

 

 

     Произведя дифференцирование  последнего выражения, имеем

 

 

или

 

                                        

 

  

Радиальная скорость движения цели

 

                                        

 

     Шкала измерителя градуируется прямо в единицах радиальной скорости цели

 

                                  v_R = F_Дλ/2.

 

     Достоинства метода:

-  простота устройства станции;

- нечувствительность к медленным уходам частоты генератора.

     Недостатки метода:

- высокие требования к кратковременной стабильности частоты генератора (за время распространения радиоволн до цели и обратно);

- влияние любой паразитной модуляции колебаний генератора на работоспособность устройства;

- возникновение помех работе станции при наличии нескольких целей (на выходе детектора будут образовываться комбинации допплеровских частот и их гармоник