Методы и устройства измерения угловых координат

ГЛАВА 7.  Методы и устройства измерения угловых координат

Для определения угловых координат целей используются угломерные или пеленгационные радиолокационные устройства.

Угломерное устройство включает антенну (антенную систему), приёмник для обработки принятых радиолокационных сигналов и измерительное устройство. Одной из основных характеристик угломерного устройства является его пеленгационная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения приёмника от направления прихода радиоволны U_вых(j). 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.

1. Амплитудные методы

В настоящее время известны и широко используются несколько амплитудных методов: максимума, минимума, сравнения, равносигнальный.

При пеленгации по методу максимума плавно изменяется угловое положение антенны, и она в течение некоторого времени принимает сигналы цели; отсчёт угловой координаты цели производится в тот момент, когда амплитуда сигнала на выходе приёмника достигает наибольшего значения. Функциональная схема соответствующего угломерного устройства показана на рис.7.1.

Рис.7.1. Функциональная схема угломерного устройства с отсчётом по максимуму.

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(j), в приёмник начнут поступать сигналы. Амплитуда сигналов зависит от углового положения антенны по отношению к цели. При вращении антенны выходное напряжение приёмника U_вых повторяет форму диаграммы направленности антенны (рис.7.2).

Рекомендуемые материалы

Рис.7.2. Пеленгационная характеристика при пеленгации по максимуму.

Это и будет пеленгационная характеристика угломерного устройства

где k - коэффициент пропорциональности.

Когда ось антенны совпадает с направлением на цель, выходное напряжение приёмника достигнет максимума; в этот момент указатель поворота антенны покажет пеленг цели j_ц.

Достоинства метода:

¨ простота его технической реализации;

¨ получение наибольшей (при прочих равных условиях) амплитуды принимаемого сигнала в момент точного пеленга.

Недостатком метода является относительно низкая точность измерений угловой координаты.

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

Если измерительное устройство позволяет заметить минимальное изменение выходного напряжения, равное DU_мин, то эта величина связана с соответствующей угловой ошибкой Dj:

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

При пеленгации по методу максимума для диаграмм направленности любого типа пеленгационная чувствительность очень мала (при точном пеленге ), поэтому и точность измерения координат относительно низка.

Метод пеленгации по минимуму отличатся тем, что отсчёт угловой координаты производится в момент уменьшения до минимума выходного напряжения приёмника. Диаграмма направленности антенны пеленгатора имеет в средней части провал до нуля. Этого можно добиться, например, используя две антенны, повёрнутые в пространстве одна относительно другой на угол, равный ширине диаграммы направленности по нулевому уровню (рис.7.3, а).

Функциональная схема пеленгационного устройства такая же, как и при пеленгации по максимуму (рис.7.1). Изменения амплитуды сигнала на выходе приёмника при повороте антенны характеризуются графиком рис.7.3,б; аналогичный вид имеет и пеленгационная характеристика , где функция F(j)–результирующая диаграмма направленности.

Рис.7.3. Диаграмма направленности антенного устройства (а) и пеленгационная характеристика при пеленгации по минимум (б).

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 в радиолокации не используется.

Метод сравнения характеризуется тем, что пеленг цели определяется по соотношению амплитуд сигналов, принятых одновременно двумя антеннами. Функциональная схема пеленгационного устройства, в котором использован метод сравнения, приведена на рис.7.4; графики рис.7.5 характеризуют пространственное расположение диаграмм направленности антенного устройства.

Амплитуды сигналов на выходе приёмников пропорциональны модулям векторов  и  (рис 7.4):

 и  .

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

Рис.7.4. Функциональная схема пеленгатора, в котором

 используется метод сравнения.

Рис.7.5. Пространственное расположение диаграмм направленности

при использовании метода сравнения.

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 приёмников, либо осуществляя деление одного сигнала на другой:

 

Вид пеленгационной характеристики иллюстрирует рис.7.6.

Рис.7.6. Пеленгационная характеристика при использовании

метода сравнения.

Основное достоинство метода сравнения – 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 отсчёта углового положения добиваются равенства сигналов. При пеленгации цели по равносигнальному методу антенное устройство поворачивают до тех пор, пока выходное напряжение не станет 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 ОО, рис.7.5) 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 ОО 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 всё время будет оставаться направленным на цель.

Равносигнальный метод можно реализовать при использовании одной антенны, диаграмма направленности которой периодически изменяет своё положение в пространстве. В этом случае сравнению подлежат сигналы, принятые в различные моменты времени при разных положениях диаграммы направленности.

2. Фазовые методы

Фазовые методы основаны на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными антеннами. Пусть в точках 1 и 2 расположены две приёмные антенны (рис.7.7), 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)

.

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

,

а при малых значениях j, когда приближенно можно считать ,

Рис.7.7. Функциональная схема фазового измерителя

угловых координат.

С учётом (7.6) пеленгационная характеристика будет

 (кривая 1 на рис.7.8).

Рис.7.8. Пеленгационные характеристики фазового пеленгатора

 

Измеряя U_вых, можно определить направление прихода радиоволны при неподвижном антенном устройстве.

Из формулы (7.7) можно видеть, что точность измерения угловой координаты вблизи значения j=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 90⁰ в одном из усилителей. На рис.7.7 такой фазосдвигающий элемент изображён пунктиром в верхнем усилительном канале.

При введении дополнительного фазового сдвига, получим

(кривая 2 на рис.7.8).

Метод характеризуется относительно высокой точностью измерения; он может быть использован для автоматического слежения за целями по угловым координатам.

Рекомендуем посмотреть лекцию "25. Феномен советской культуры".

Недостатками метода являются:

¨ неоднозначность отсчёта;

¨ отсутствие разрешения целей.

Если диапазон однозначного измерения фазы принять равным 2p, то пределы однозначного измерения угла могут быть определены с помощью формулы (7.6)

.

Неоднозначность измерения угловых координат фазовым методом может быть устранена, если в пеленгаторе используются антенны с достаточно узкими диаграммами направленности q_А<Dj_одн, где q_А  - ширина диаграммы направленности антенны.