Принципи і методи побудови моноімпульсних вторинних радіолокаційних станцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИПИ І МЕТОДИ ПОБУДОВИ моноімпульсних ВТОРинНИХ РАДІОЛОКАЦІЙНИХ СТАНЦІЙ

Вторинні радіолокаційні станції, принцип дії яких заснований на обробці пакета сигналів відповідей, іноді називають “традиційними” ВРЛ з обробкою сигналів “на проході”. На цей час вони поки залишаються основними технічними засобами спостереження за повітряною обстановкою. Проте у міру підвищення щільності повітряного руху і збільшення кількості одночасно працюючих на землі запитувачів почали усе сильніше виявлятися їхні специфічні недоліки. Головною причиною, яка обумовлює ці недоліки, є неможливість знаходження прийнятного компромісу у виборі ширини діаграми напрямленості (ДН) антени, швидкості її обертання і частоти повторення запитів, що призводить в остаточному підсумку до низької азимутальної точності, малої розділової здатності і поганої завадозахищеності ВРЛ щодо внутрішніх системних завад.

Точність і розділова здатність за азимутом оглядового радіолокатора залежать від багатьох чинників, у тому числі від азимутальної протяжності і форми обвідної пакета сигналів відповідей. Форма обвідної пакета сигналів відповідей у первинній радіолокації визначається виразом G4(), де G() - коефіцієнт підсилення антени за напруженістю електромагнітного поля у функції нормованого значення азимутального кута. Для ВРЛ ця залежність визначається виразом G2(). Для дзеркальних параболічних антен правильний наближений вираз

де - нормоване значення азимутального кута.

Тому обвідні пакетів відбитих сигналів і сигналів відповідей за потужністю описуватимуться відповідно

для первинного радіолокатора і

Азимутальне положення цілі в традиційних ВРЛ визначається методом “рухомого вікна”. Для цього спочатку за критерієм n/m відшукується початок пакета н, потім за критерієм k/m - кінець пакета, після чого обчислюється середина пакета імпульсів згідно з виразом

або

де - додатковий коригувальний кутовий зсув, що залежить від установлених критеріїв n/m і k/m..

У зазначених вище виразах: m - номінальна кількість імпульсів у пакеті; n - кількість імпульсів у рухомому вікні, яка оголошується як початок пакета; k - кількість імпульсів у рухомому вікні, яка дорівнює зазвичай n-1, прийнята за кінець пакета. У деяких випадках за кінець пакета приймається повторення у рухомому вікні l нулів поспіль.

Точність визначення середини пакета, тобто кутова точність радіолокатора, таким чином, залежатиме від точності визначення початку і кінця пакета, що, у свою чергу, визначається азимутальною протяжністю пакета, кількістю імпульсів у пакеті і відношенням сигнал/шум.

Кількість імпульсів у пакеті визначається виразом:

де Д ?- ширина ДН антени запитувача; Tп - період огляду простору; Fп - частота повторення запитів.

Тому за інших однакових умов для отримання максимально можливої точності визначення азимута цілі необхідне збільшення частоти повторення запитів Fп, що неминуче призводить до збільшення рівня внутрішніх системних завад. Крім того, при збільшенні частоти повторення запитів все сильніше відчуватиметься дефіцит часу, необхідного для передачі корисної інформації з автоматичного каналу зв'язку “борт - земля”. Спроби зменшення частоти запитів призводять до зменшення кутової точності радіолокатора, а це неминуче викликає додаткові труднощі у траєкторній обробці прийнятих сигналів.

Головним негативним наслідком підвищеної частоти повторення сигналів запиту є високий рівень внутрішніх системних завад. Внутрішніми системними завадами називаються такі завади, джерелом яких є радіотехнічні пристрої, які безпосередньо входять до складу устаткування вторинної радіолокаційної системи й об'єднані загальним принципом роботи цієї системи. Результатом появи цих завад може бути утворення сигналів помилкових (уявних) цілей, пропускання корисних цілей і перекручування прийнятої корисної інформації за несприятливого накладання у часі кодових посилань сигналів відповідей.

Вторинна радіолокаційна система належить до класу асинхронних імпульсних радіосистем, які працюють за принципом “запит - відповідь”. Запитувач випромінює періодичну послідовність сигналів запиту, а усі відповідачі, які знаходяться в зоні променя запитальної антени, випромінюють на кожний запит по одному сигналу відповіді з випадковою затримкою, обумовленою поточним місцем розташування кожного бортового відповідача. Таким чином, на вхід запитувача після випромінювання одного сигналу запиту надходить випадковий потік сигналів відповідей, частина з яких може бути загублена або перекручена через їхнє взаємне перекриття у часі. Аналогічно можуть бути загублені і деякі сигнали запиту, що одночасно надходять на вхід бортового відповідача, якщо він знаходиться в зоні дії декількох наземних запитувачів, що працюють незалежно один від одного. У цьому випадку вплив внутрішніх системних завад на якість функціонування певної пари “запитувач - відповідач” виявиться втратою корисної інформації унаслідок дії інших заважаючих запитувачів і відповідачів.

Якщо кодові позиції одного сигналу відповіді приблизно збігатимуться з позиціями імпульсів іншого відповідача, то виникнуть значні труднощі при декодуванні прийнятої інформації. Такі внутрішні системні завади отримали усталене позначення “garble” (“перекручування”). Більш складна ситуація виникає у тому випадку, коли два або більше ПС знаходяться тривалий час приблизно на одній похилій відстані і на однаковому пеленгу. У цьому випадку відбувається синхронне накладання відповідей, зазвичай, позначуване символом “synchronous garble” (“синхронні перекручування”).

У тривалому синхронному накладанні кодів виникають ситуації, коли оброблювані прийняті сигнали у дешифраторі треба розділяти на “переплетені”, “перетинні” і “зближені” кодові посилання. Якщо мають місце низькі азимутальна розділова здатність і точність радіолокатора, тобто прийняті сигнали не супроводжуються інформацією про точне значення азимутальної приналежності певних бортових відповідачів, правильне декодування сигналів украй важке, а іноді і неможливе. Додаткові труднощі виникають тоді, коли на інтервал між окремими інформаційними позиціями одного сигналу й інформаційними позиціями іншого сигналу укладається деяка кількість стандартних кодових інтервалів між координатними імпульсами (20,3 мкс для режиму RBS та 11 або 14 мкс - в режимі УВД). У цьому випадку дешифратор розцінює таку подію як появу третього ПС і на екрані індикатора з'явиться позначка від неіснуючої уявної цілі. Завади такого типу отримали назву “фантомів” (phantom - привід).

Синхронне накладання відповідей може також виникати внаслідок перевідбиття радіохвиль від поверхні землі або місцевих предметів. Накладання сигналів відповідей відбуватиметься, якщо

де к - база коду відповіді, обумовлена інтервалом часу між першим і останнім імпульсами сигналу відповіді; с - швидкість світла.

Невиконання цієї умови призводить до появи помилкової позначки цілі, розташованої на відстані (r2+r3)-r1 за “вірною” позначкою для випадку перевідбиття сигналів від плоскої земної поверхні. Для випадку відбиття сигналів від місцевих предметів, розташованих осторонь від основного напрямку поширення радіохвиль, а також при похилому рельєфі місцевості можлива поява помилкових позначок цілей на екранах індикаторів із зсувом їх за азимутом і дальністю.

Для зменшення імовірності накладання сигналів відповідей або появи помилкових позначок цілей у деяких випадках використовують селективні за азимутом системи часового автоматичного регулювання підсилення, що зменшує чутливість приймачів запитувачів на тих напрямках, звідки приходять помилкові сигнали.

Багатошляхове поширення радіохвиль може також бути причиною помилкових вторинних запитів відповідача від того самого запитувача. Для усунення цього явища необхідно після кожного прийому запиту блокувати роботу приймального тракту бортового відповідача на час передачі коду відповіді, збільшеного додатково на 125мкс.

У запитувачів для такої самої мети доводиться уводити до апаратури радіолокаторів спеціальні пристрої селективного регулювання потужності передавачів, що зменшують випромінювану потужність для напрямків, де найбільш виявляється багатошляхове поширення радіохвиль.

Іншим важливим видом внутрішніх системних завад, характерним для вторинних радіолокаційних систем, є несинхронні завади, які виникають тоді, коли запитувач приймає сигнали відповідачів, запитуваних у цей час іншими запитувачами. Такого типу завади отримали назву FRUIT (False Replies Unsynchronized In Time - помилкові несинхронні у часі відповіді). Імовірність появи таких завад буде тим більшою, чим вище частота повторення запитів і чим більша кількість запитувачів одночасно працює в контрольованій зоні.

Обробляючи прийняті сигнали, несинхронні завади легше придушити, ніж синхронні. Тому для перетворення синхронних завад у несинхронні в деяких випадках застосовуються спеціальні заходи, як наприклад, вобуляція періоду повторення запитів або рознесення частот повторення запитів вторинних радіолокаторів, розташованих поруч.

За великої кількості одночасно працюючих запитувачів, високої частоти запитів і великої потужності сигналів запиту виникає явище, яке отримало назву “over-interrogation”, тобто перевищення граничноприпустимого рівня інтенсивності запитів, яка у сучасних відповідачів лежить у межах 1200…2000 відповідей за секунду. Перевищення цього рівня викликає автоматичне зменшення чутливості приймача відповідача. Тому відповіді на запити слабкими сигналами не видаватимуться і, отже, більш віддалені запитувачі не заважатимуть нормальній роботі відповідача.

Зниженню частоти відповідей сприяє також застосування спеціального режиму розрядки сигналів відповідей, коли на 8…10 запитів на землю посилається лише одна відповідь. Цей режим використовується у відповідачах, які працюють згідно зі стандартом УВД, оскільки у роботі кодами УВД імовірність накладання кодів відповідей особливо велика. Пояснюється це тим, що база коду відповіді в режимі УВД складає приблизно 350мкс, тоді як база коду режиму RBS дорівнює усього 20,3мкс. Розрядка відповідей до деякої міри зменшує рівень внутрішніх системних завад, але все це відбувається за рахунок зменшення кутової точності і розділової здатності системи.

Ще одним з істотних недоліків вторинних радіолокаційних систем є необхідність уведення до апаратури запитувачів і відповідачів спеціальних і дорогих систем придушення сигналів бокових пелюсток ДН антени радіолокатора за запитом і за відповіддю. Вплив бокових пелюсток виявляється у зниженні завадозахищеності станції, погіршенні кутової розділової здатності, виникненні помилкових позначок цілей, збільшенні імовірності помилкових спрацьовувань бортових відповідачів.

Якщо радіолокатори не будуть обладнані апаратурою придушення сигналів бокових пелюсток, то відповідачі виявляються перевантаженими помилковими запитами і різко збільшується рівень внутрішніх системних завад.

Розглянуті вище недоліки традиційних ВРЛ значно знижують ефективність їхнього використання як засобу спостереження за повітряною обстановкою. Радикальним засобом підвищення ефективності систем спостереження є уведення режиму селективного запиту відповідачів, проте впровадження таких систем потребує великих матеріальних витрат і виправдане лише за дуже великої інтенсивності польотів.

2. Принципи побудови моноімпульсних систем вторинної радіолокації

На відміну від радіолокаційних систем з обробкою сигналів відповіді методом рухомого вікна із наступним визначенням центру пакета, моноімпульсні системи визначають кутове положення цілі за одним прийнятим сигналом. У звичайних традиційних вторинних радіолокаційних системах кутове положення цілі визначається за допомогою гостроспрямованої антени, яка обертається у поземній площині. Коли промінь антени спрямований на ціль, наземний запитувач (ВРЛ) посилає черговий сигнал запиту убік ПС, бортовий відповідач відсилає на землю відповідь і на виході приймача запитувача з'являється сигнал. У цей момент фіксується кутове положення антени цA, яке приймається за кутове положення цілі, тобто цццA. Цей вираз носить наближений характер, тому що зафіксований сигнал відповідає випадковому положенню цілі щодо осьової лінії ДН антени. Чим вужче ДН антени, тим точніше можна визначити справжнє кутове положення цілі, тобто зводити до мінімуму випадкову невідому кутову поправку Дц. Оскільки реальні ДН антени ВРЛ мають ширину порядку 2…4?, то похибка такого методу визначення кутового положення цілі видається неприпустимо великою.

Для підвищення точності у звичайних вторинних радіолокаційних системах збільшують частоту повторення запитів, відзначають момент початку появи пакета сигналів відповіді цН, потім відзначають кінець пакета цК і після цього визначають середину пакета, що у кращому випадку збігатиметься з кутовим положенням цілі з точністю до одного азимутального дискрета. Точність цього методу може вважатися задовільною, але досягається вона за рахунок збільшення частоти повторення запитів і відповідей, а це призводить до підвищення рівня внутрішніх системних завад.

У моноімпульсних системах для визначення коригувальної добавки Дц використовують двоканальну антенну систему, яка отримала назву кутового пеленгатора (рис).

моноімпульсний радіолокатор сигнал

На виході кожного каналу пеленгатора параметри сигналів, зокрема, амплітуди U1 і U2 або фази сигналів ш1 і ш2 є функціями кутового положення антени UA, значення вхідного сигналу UВХ і кутового положення цілі відносно осьової ДН антени Дц. Діаграми напрямленості антен кожного каналу пеленгатора неоднакові, тому параметри вихідних сигналів описуються різними функціями:

- для амплітудного пеленгатора

- для фазового пеленгатора

З огляду на те, що значення змінних A, UВХ і Дц у наведених вище системах рівнянь однакові, можна утворити нові системи рівнянь, за допомогою яких обчислюються значення Дц. Для цього вихідні сигнали обох каналів кутових пеленгаторів спочатку підсилюються і перетворюються в зручну для обробки форму (підсилення, частотна селекція, перетворення в проміжну частоту, детектування тощо), а потім подаються на кутові дискримінатори, що обраховують задачі типу:

або

Для визначення азимутального положення цілі цЦ отримана в кутовому дискримінаторі інформація про коригувальну добавку Дц подається на процесор сигналів. Сюди ж одночасно надходить інформація про миттєве положення антени цA. Процесор виконує операцію:

Знак додавання, тобто відхилення цілі ліворуч або праворуч від осьової лінії ДН визначається або спеціальним пристроєм, або обчислюється безпосередньо в кутовому дискримінаторі.

Процесор одночасно виконує ряд додаткових функцій із визначенням дальності до цілі, декодування й обробки сигналів. Одна з таких функцій пов'язана з придушенням сигналів бокових пелюсток ДН антени за відповіддю. Для цього в кутовому пеленгаторі передбачений ще один канал із круговою ДН антени. Придушення сигналів бокових пелюсток здійснюється амплітудним порівнянням сигналів, прийнятих антенами зі спрямованими і неспрямованими діаграмами.

3. Класифікація моноімпульсних систем вторинної радіолокації

Моноімпульсні системи вторинної радіолокації зазвичай класифікуються за ознаками, що характеризують принципи побудови їхніх кутових пеленгаторів і кутових дискримінаторів. Кутові пеленгатори розділяються на амплітудні (А), фазові (Ф) і комплексні (ДО). У амплітудній пеленгації для визначення кутової координати цілі в азимутальній площині формуються дві ДН антени, рознесені на кут від рівносигнального напрямку. У разі відхилення цілі на кут від РСН сигнал , прийнятий правою ДН, буде більше за сигнал , пpийнятого лівою діаграмою. Чим більше ціль відхиляється від РСН, тим більше буде різниця між цими сигналами. Таким чином, за різницею сигналів і або за їхнім відношенням / можна судити про положення цілі відносно РСН і, отже, про азимутальне положення цілі.

У фазовій пеленгації цілі використовуються дві антени, рознесені в азимутальній площині на відстань l. Якщо ціль знаходиться на РСН, то сигнали відповіді приходять на обидві антени одночасно, і різниця фаз цих сигналів і дорівнюватиме нулю. За відхилення сигналу ліворуч і праворуч від РСН шляхи проходження сигналу відповіді до правої і лівої антени будуть неоднаковими і, отже, різниця фаз - прийнятих сигналів не дорівнюватиме нулю. Чим більше відхилення цілі від рівносигнального напрямку, тим більше буде різниця фаз. Таким чином, вимірюючи різницю фаз сигналів, можна визначити положення цілі відносно РСН і, отже, в остаточному підсумку азимут цілі.

У комбінованому методі пеленгації цілі кутові координати визначаються одночасно порівнянням амплітуд і фаз, прийнятих двома антенами сигналів. Кутовий пеленгатор у цьому випадку має дві антени, рознесені в азимутальній площині на відстань l і розгорнуті щодо РСН на кут . Інформація про кутове положення цілі в цьому випадку міститься у співвідношенні амплітуд і у співвідношенні фаз прийнятих сигналів.

Всі кутові пеленгатори, незалежно від їхнього типу, мають по два виходи, з яких одночасно знімаються пари сигналів, що несуть інформацію про кутове положення цілей. Ця інформація міститься у відносних співвідношеннях їхніх амплітуд або фаз, або амплітуд і фаз одночасно. Для здобуття інформації з отриманих сигналів використовують кутові дискримінатори різних типів.

До дискримінаторів висуваються вимоги щодо їх максимальної точності й однозначного визначення положення цілі відносно РСН антени незалежно від відстані до цілі, тобто незалежно від абсолютного значення амплітуд прийнятих сигналів. З цією метою прийняті сигнали, крім звичайних процедур підсилення, частотної селекції, перетворення на проміжні частоти тощо, піддаються додатковим перетворенням і лише потім подаються на пристрої, які безпосередньо видобувають кутову інформацію з перетворених сигналів. Перетворення може відбуватися залежно від типу використовуваного дискримінатора в переході від амплітудних співвідношень у фазові, від фазових - в амплітудні, в отриманні сумарних і різницевих сигналів, логарифмуванні, нормалізації сигналів тощо. Незалежно від цього усі кутові дискримінатори поділяються на амплітудні (А) і фазові (Ф). Слід зазначити, що й в амплітудних, і у фазових дискримінаторах може використовуватися попереднє підсумовування і віднімання сигналів. Доцільність вибору того чи іншого методу побудови дискримінаторів залежить від конкретних вимог, висунутих до моноімпульсних радіолокаторів, і можливостей їхньої технічної реалізації.

Кожний із типів дискримінаторів може бути використаний у сполученні з будь-яким із трьох видів кутових пеленгаторів. Таким чином, у класифікації моноімпульсних систем у цілому можна виділити усього дев'ять основних класів систем, наприклад, амплітудно-амплітудні моноімпульсні системи, амплітудно-фазові, фазово-амплітудні системи та ін. У назві системи перше слово характеризує вид пеленгації, а друге - тип кутового дискримінатора. У класифікації може бути використаний більш детальний підрозділ систем на окремі підкласи, наприклад, кутовий дискримінатор або напівкутовий дискримінатор, амплітудний сумарно-різницевий пеленгатор, амплітудний дискримінатор із фазовим засобом визначення знака відхилення цілі і т.д. Такого роду класифікація використовуватиметься при більш глибокому вивченні принципу дії окремих пристроїв моноімпульсних вторинних радіолокаційних систем.

Размещено на Allbest.ru