Моделювання функціональних параметрів об'єкту радіолокації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання функціональних параметрів об'єкту радіолокації пізнання

1. Принципи та методи одержання радіолокаційної інформації

1.1 Основні поняття радіолокації

Радіолокація - галузь науки й техніки, яка забезпечує виконання завдань виявлення, обчислення, пізнавання, вимірювання координат і параметрів руху будь-яких об'єктів за допомогою приймання та аналізу радіохвиль, відбитих від них. Технічне обладнання, яке вирішує хоч би одне з перерахованих завдань, називають радіолокаційними станціями (РЛС) або радіолокаторами.

Основні елементи РЛС становлять передавальна антена, приймач і кінцевий пристрій. Решта елементів функціональної схеми РЛС, а також обладнання, яке встановлене на об'єкти, слугують для створення матеріального носія інформації - електромагнітного випромінення.

У наш час РЛС мають широке застосування як у народному господарстві, так і у військовій справі. РЛС забезпечують повітряну й морську навігацію, керування рухом у районі аеродромів і портів, дозволяють проводити метеорологічну розвідку грозових фронтів та вогнищ, турбулентності атмосфери та ін.

РЛС є основні джерела інформації в системах спостереження за штучними супутниками Землі, їх корисно застосовувати в разі дослідження планет і зірок.

Об'єкти радіолокаційних досліджень називають радіолокаційними цілями. Вони застосовуються: 1) як об'єкти пізнання, у процесі якого визначаються кінематичні, електричні або інші властивості цілей; 2) як інструмент пізнання будь-якого ефекту або процесу, при цьому сама ціль може слугувати еталонним контрольно-вимірювальним приладом; 3) як засіб радіолокаційного маскування або як складові елементи системи навігації.

Залежно від сфери застосування радіолокаційні цілі можуть бути аеродинамічними (літаки, крилаті ракети), балістичними або космічними (боєголовки, супутники), наземними або надводними (танки, кораблі), а також природного походження (хмари, планети, небесні об'єкти, орієнтири на місцевості).

Залежно від тривалості в просторі й тактико-технічних даних РЛС цілі бувають разосередженими й зосередженими. З класу зосереджених цілей виявляють одиничні й групові. Групова ціль складається з декількох одиничних цілей. Залежно від наявності власного випромінювання радіохвиль, цілі поділяються на активні й пасивні.

Сукупність прийомів і операцій практичного або теоретичного плану, які спрямовані на вирішення конкретного радіолокаційного завдання, називають радіолокаційними методами. Під радіолокаційною інформацією або повідомленням розуміють сукупність відомостей про цілі, отриману технічними засобами із застосуванням радіолокаційних методів. Оскільки виявлення корисних сигналів, що надходять від цілі, відбувається на фоні супутніх завад, то отримання радіолокаційної інформації має статистичний характер.

Перший етап радіолокації - етап виявлення цілі - містить знаходження ймовірностей наявності або відсутності цілі у виділеній ділянці простору, на основі яких приймається відповідне рішення.

Вимірювання координат та інших параметрів цілей, як і будь-яке інше вимірювання, зводиться до знаходження оцінок величин, що вимірюються, з мінімально допустимими похибками. Тут під іншими параметрами цілей розуміють розсіювальні властивості цілей, їх висоту, параметри руху, а також розмір, форму, вібрацію та інші додаткові кількісні дані про цілі. Виміри починаються з моменту виявлення цілі та (у разі використання сферичної системи координат) містять визначення віддаленості цілі D та її азимута і кута місця . Для виявлення й вимірювання параметрів цілі РЛС повинна мати здатність відрізняти ціль, яку шукають, від інших.

Уважають, що ціль розпізнана, якщо РЛС відрізняє відбитий сигнал від сигналів інших цілей та хоч би одна координата цієї цілі застосовується для її ідентифікації. Таким чином, розпізнавання складається з виявлення та вимірювання параметрів довільної цілі за наявності інших цілей. Можна говорити про розпізнавання за координатами та іншими параметрами. Роздільну здатність за координатами характеризують елементарним

об'ємом, розміри якого за дальністю , в азимутальній - , у кутомісцевій площинах такі, що належать іншій цілі в сусідньому об'ємі, не повинні погіршувати надійність виявлення й точність вимірювання координат цілі, яка розташована в центрі визначеного об'єму. Останній називають об'ємом, що вирішується, причому у випадку імпульсного опромінення цілі його називають імпульсним [4].

Розпізнавання цілей містить визначення приналежності цієї цілі до одного з класів (типів) цілей, що були відзначені раніше. Оскільки радіолокаційні сигнали від цілей можна розглядати як свого роду образи даних [6], то до процесу впізнавання застосовують методи впізнавання образів [7-9].

Необхідність забезпечення високого темпу подання інформаційних даних вимагає високої здатності РЛС протистояти штучним або природним завадам. Завадостійкість РЛС - це здатність пристрою виконувати функції в разі наявності завад [10]. Її оцінюють через інтенсивність завад, за якої порушення функцій пристрою ще не перебільшує допустимих меж. Чим сильніша завада, ш якої пристрій залишається працездатним, тим вища його завадостійкість.

1.2 Класифікація радіолокаторів, принципи одержання та обробки інформації

РЛС можна класифікувати таким чином: 1) за призначенням (РЛС виявлення, керування, навігації, розвідки, метеослужби та ін.); 2) за мобільністю (рухомі або стаціонарні); 3) за локальністю, тобто місця розташування станції (наземні, корабельні, літакові и т.п.), ураховуючи й просторове розташування апаратури (сполучені або рознесені); 4) за розташуванням РЛС відносно цілі (системи іновизначення, за якими визначаються характеристики цілей, і системи самовизначення, у яких визначається власне розташування станції відносно опорних маяків або наземних об'єктів); 5) за джерелом випромінювання (активні, пасивні); 6) за видом параметрів цілі, що вимірюються (далекоміри, пеленгатори та ін.).

Оскільки радіолокаційну інформацію отримують на основі прийому й аналізу радіохвиль, то доцільно зупинитися на класифікації РЛС за наявністю джерел випромінювання. Оскільки ступінь взаємодії й розподілу функцій між РЛС і ціллю може бути різним, то під час опису процесів формування сигналів і отримання інформації доцільно розглядати не ізольовану РЛС, а систему РЛС-ціль. Усі системи РЛС-ціль, які далі будуть мати назву «радіолокаційні системи», розподіляють на чотири основні групи [11] (табл.2.4.1).

Тут слова «активна» й «пасивна» характеризують тип випромінювання, яке застосовується: вторинне переопромінення й власне випромінювання радіохвиль.

Таблиця 1 Види радіолокаційних систем

РЛС	Ціль
	Пасивна	Активна
Активна	Власне радіолокаційні системи	Системи з активною відповіддю
Пасивна	Системи пасивної радіолокації	Беззапитні системи

Власне випромінювання й переопромінення (ретрансляція) є невід'ємна риса активної радіолокації, тому що в цьому випадку радіолокатор випромінює в напрямку на ціль зондувальний сигнал. При цьому активна радіолокація з переопроміненням має назву радіолокації з активною відповіддю, а з вторинним опроміненням - з пасивною відповіддю. Власне випромінювання цілі не потребує опромінення радіолокатором, у зв'язку з чим така радіолокація має назву пасивної. У цьому випадку джерелом власного випромінення цілі можуть бути не тільки бортові радіотехнічні пристрої, а й поверхні цілі, що мають велику температуру або об'єми простору, іонізовані ціллю.

Порівняльний аналіз систем РЛС-ціль показує [11], що власні радіолокаційні системи мають найбільші тактичні можливості. Вони можуть працювати як на «свої», так і на «чужі» цілі. Однак їх використання пов'язане з великими енергетичними витратами, оскільки відбитий сигнал складає незначну частину випроміненого. Крім того, обмін інформацією між РЛС та ціллю вельми обмежений, тому що ціль може лише в невеликих межах змінювати свої відбивні властивості (наприклад, для розпізнавання).

Радіолокаційні системи з активною відповіддю енергетично є значно вигідніші, тому що дають змогу по каналах запиту й відповіді передавати додаткову інформацію.

Беззапитні системи мають мале енергоспоживання й дозволяють передавати додаткову інформацію по каналу ціль-РЛС. На жаль, найпростіші беззапитні системи дають змогу вимірювати не всі параметри сигналу. Для точного відліку радіальної швидкості й дальності РЛС і ціль повинні мати високостабільні еталонні генератори.

Системи пасивної радіолокації містять лише приймально-вимірювальний пристрій і характеризуються мінімальними енергетичними витратами й максимальною прихованістю. Однак вони є дуже інерційні, оскільки для виділення слабких сигналів на фоні сильних шумів потрібно багато часу і, отже, їх використання в умовах великих швидкостей взаємного переміщення РЛС і цілі неможливе, а дальність дії в ряді випадків недостатня. Крім того, у таких системах звичайно неможливо вимірювати дальність і швидкість, а також передавати додаткову інформацію.

Під час приймання відбитого сигналу на фоні супутніх завад РЛС фіксує сам факт наявності цілі, а вимірювання параметрів цього сигналу дає змогу визначити положення цілі в просторі, її швидкість та ін. Ці параметри, закодовані в сигналі, що приймається, і складають радіолокаційну інформацію.

Розглянемо принцип отримання радіолокаційної інформації з урахуванням реальних закономірностей поширення радіохвиль у просторі. Розповсюдження радіохвиль у реальному просторі відрізняється від розповсюдження в однорідному, ізотропному та недиспергованому вільному просторі, у якому швидкість радіохвиль однакова в будь-якому місці простору (м/с) і не залежить від частоти коливань та поляризації хвиль. У реальному випадку зондувальний і відбитий сигнали

розповсюджуються за напрямком без викривлення своєї траєкторії й час запізнювання відбитого сигналу відносно до зондувального визначається співвідношенням

, (2.4.1)

де - відстань (дальність) від цілі до РЛС; - швидкість світла. Звідки дальність до цілі

(2.4.2)

У реальнішому середовищі яке характеризується дисперсією, будь-який радіосигнал, який складається з сукупності монохроматичних коливань, змінюється за рахунок дисперсії, яка визначається залежністю фазової швидкості розповсюдження від частоти. Ці зміни призводять до того, що гармонічні складники радіосигналу поширюються з різними швидкостями, які відрізняються від швидкості світла у вільному просторі. Це вимагає внесення поправок щодо точності вимірів дальності за (2.4.2).

Рефракція, тобто викривлення напрямку розповсюдження радіохвиль у реальному середовищі, яка виникає за рахунок неоднорідності простору, що має непостійний коефіцієнт заломлення від точки до точки, повинна бути врахована як поправка при визначенні напрямку на ціль та її дальності. Коли поперечний градієнт коефіцієнта заломлення дуже відрізняється від нуля, промінь значно викривляється, то можна говорити не тільки про рефракцію, а також про відбиття променя від цілі. При цьому зворотний шлях відбитого сигналу збігається з шляхом зондувального, що допомагає в короткохвильовому діапазоні визначати цілі, які знаходяться за лінією горизонту.

Головний принцип, за яким отримується радіолокаційна інформація, може бути сформульований так: інформація одержується за рахунок випромінювання (перевипромінювання) ціллю радіохвиль, при цьому відокремлення слабких сигналів, що надходять від цілі, та виявлення цілей забезпечується за рахунок спектральних і кореляційних розбіжностей сигналів та завад, а також сигналів від різних цілей. При цьому будь-яка система обробки радіолокаційної інформації повинна забезпечувати вирішення таких завдань:

1) відокремлення завад і відокремлення корисних сигналів;

2) визначення параметрів відбитих сигналів;

3) «поєднання» відбитих сигналів у траєкторії цілей і визначення параметрів цих траєкторій;

4) селекція цілей за ознакою їх важливості;

5) формування загальної картини ситуації в зоні дії станції.

Насамкінець радимо звернутися до літературних джерел [10-18], де повніше викладені принципи оптимальної фільтрації сигналів [10], характеристики радіолокаційних систем [11], із загальних позицій розглянуті питання теорії й техніки виявлення, вимірювання та вирішення цілей [11-15]. У [16] наводиться аналіз існуючих і перспективних методів радіолокаційного розпізнавання цілей, розглянуте вирішення завдань за допомогою цифрової обробки радіолокаційної інформації [17], викладені принципи невизначеності в радіолокації [18].

1.3 Характеристика сигналів і завад у радіолокації

При виборі частотного діапазону РЛС у першу чергу необхідно врахувати умови найкращого відбиття електромагнітних хвиль від поверхні цілі. При цьому розрізняють дзеркальне, дифузне й резонансне відбиття [11]. Якщо поверхня цілі, що опромінюється, є гладка і розміри цілі набагато більші, ніж довжина хвилі, спостерігається дзеркальне відбиття, тобто відбиття, за умов якого кут падіння хвилі дорівнює куту відбиття і, отже, за винятком випадку нормального падіння, хвиля вторинного випромінювання не повертається до приймальної антени РЛС. Дифузне відбиття характерне для цілей, розміри яких більші, ніж довжина хвилі, а поверхня шорстка, і, отже, вторинна електромагнітна хвиля розсіюється за різними напрямками за рахунок відбиття від неорієнтованих елементів поверхні. У цьому випадку в напрямку розташування РЛС перевипромінюється мала частина енергії хвилі, що падає. Резонансне відбиття притаманне цілям, лінійні розміри яких дорівнюють парному числу напівхвиль опромінюючого електромагнітного поля. Інтенсивність такого відбивання звичайно більша дифузного. Крім того, воно характеризується яскраво вираженою спрямованістю, яка залежить від орієнтування цілі й поляризації спадного поля.

Крім розглянутих випадків, є хвилі, довжини яких значно більші, ніж лінійні розміри цілі. Для таких хвиль характерне огинання цілі, яке призводить до дуже малої інтенсивності відбитої енергії. Отже, у радіолокації доцільно використовувати електромагнітні хвилі, довжина яких дорівнює або є менша, ніж розміри цілі [109].

Таким чином, електромагнітна енергія, що випромінюється радіолокатором, перевипромінюючись від цілі, стає носієм відомостей про ціль.

Залежно від типу модуляції, зондувальні, тобто ті, що випромінюються РЛС, сигнали поділяють на безперервні, імпульсні та імпульсні малої шпаруватості.

Безперервні сигнали на практиці були вперше використані для радіовиявлення літаків [21]. І в наш час безперервні сигнали широко застосовуються в радіолокаційних вимірюваннях. Наприклад, безперервні немодульовані сигнали застосовують у системах самонаведення та радіовибуховувачах, а частотно-модульовані - у радіовисотомірах. Багаточастотні немодульовані сигнали застосовують у тих РЛС, від яких вимагають високу завадостійкість, високу ймовірність виявлення і впізнання цілей. РЛС з шумоподібним сигналом, тобто з сигналом, у якого за випадковим законом змінюється один з параметрів (амплітуда, фаза, частота чи поляризація), забезпечує таємність роботи станції та має високу потенційну роздільну здатність за дальністю та швидкістю.

У разі використання імпульсних сигналів паузи між випроміненням обирають такими, щоб вони були більшими, ніж розрахунковий час запізнювання від цілі, що є максимально далеке. При цьому несуча частота та початкова фаза сигналу, який знаходиться в імпульсі, можуть змінюватися або залишатися незмінними. У зв'язку з цим радіоімпульси ділять на прості імпульсні й з частотною або фазовою модуляцією.

Імпульсні сигнали малої шпаруватості характеризуються рівністю (у межах одного порядку) довжини випромінювання й запізнювання відповідно до зондувального й відбитого сигналів від розрахункової максимально віддаленої цілі, хоч інтервали між випромінюваннями можуть бути більшими, ніж це запізнення.

Перелічені на рис. 2.4.1 сигнали не вичерпують усіх сигналів, що мають місце в радіолокації. Порівняльний аналіз сигналів доводить, що з енергетичного погляду імпульсні сигнали не мають ніяких переваг над неперервними. При цьому визначальні ознаки, які впливають на вибір типу зондувальних сигналів, є їх інформативність, завадостійкість та висока роздільна здатність. У сучасних радіолокаторах застосовують декілька видів сигналів. Так, у зв'язку з вимогами суттєвого збільшення енергетичного потенціалу РЛС та підвищення роздільної здатності за дальністю широко застосовують імпульсні сигнали з частотною та фазокодовою модуляцією, які називають складними або широкосмуговими сигналами. Такі види модуляції несучої частоти, яка знаходиться в середині імпульсу, дають змогу мати високу роздільну здатність за дальністю незалежно від довжини імпульсу. Це має велике значення тому, що потужність імпульсних передавачів РЛС наблизилась до фізичної межі, яка визначається електричним пробоєм у системах генерації та каналізації НВЧ енергії. Однак з появою фазованих антенних решіток (ФАР), які дають змогу практично необмежено підвищувати випромінювану потужність за рахунок складання сигналів від окремих джерел, зникли переваги складних сигналів над імпульсними. У зв'язку з цим обмеження щодо максимальної випромінюваної потужності не є таке жорстке. Роздільна здатність імпульсних сигналів великої шпаруватості на фоні завад є більша, ніж у складних сигналів малої шпаруватості. Більше того, з використанням ФАР повернення до імпульсних сигналів з великою шпаруватістю буде більше виправданим тому, що це не вимагає складної апаратурної обробки сигналів.

Відзначимо, що важливий фактор, впливаючий на вибір типу зондувального сигналу, становить можливість забезпечення високої завадозахищеності станції. Як відомо [20], завади можна класифікувати за засобом їх утворення, і в цьому випадку їх поділяють на природні (неорганізовані) й штучні (організовані) (рис. 2.4.2).

Штучні завади утворюють або зміною відбивної здатності цілі, застосовуючи для цього радіопоглинаючі покриття, або використанням спеціальних форм цілі, або введенням пасивних завад за допомогою штучних відбивачів, таких як куткові відбивачі, лінзи Люнбєрга, відбивачі Ван-Атта, або утворенням активних завад за допомогою спеціальних приладів станцій завад, які розташовуються безпосередньо на цілі, що захищається.

Залежно від мети призначення активні завади розподіляють на загороджувальні, прицільні та запитні. Прицільні завади великої інтенсивності виробляються передавачем з шириною спектра й частотою несучої, близькими до параметрів РЛС, що заглушується. Загороджувальна завада має відносно широкий діапазон частот та призначена для заглушення сигналів багатьох РЛС. Запитна завада, яка звичайно становить багаторазово перевипромінений сигнал РЛС, що заглушується, виробляється ретранслятором, який забезпечує можливість введення будь-якої затримки. Джерела природних завад можна зрозуміти з рис 2.4.2.

Можна також класифікувати завади за характером їх взаємодії з інформативним сигналом, і в цьому випадку їх розподіляють на адитивні та мультиплікативні. Головну особливість адитивних завад становить те,

що вони сумуються з корисними сигналами і їх дія з ними не пов'язана. У цьому випадку напруга на вході пристрою, що обробляє сигнали, має вигляд

=+

Головну особливість мультиплікативних завад становить паразитне модулювання корисного сигналу, і тоді, коли його немає , завади немає також. У цьому випадку напруга на вході пристрою, що обробляє сигнали, має вигляд

=+,

де - функція, яка описує заваду.

Можна також класифікувати завади за характером їх впливу, і в такому випадку завади можуть бути маскувальними, імітувальними та відвідними. Ці завади призначені для маскування відбитих сигналів, утворення помилкових цілей та переводу РЛС з режиму супроводу реальної цілі в режим супроводу помилкової цілі за рахунок повільного «відводу» системи автосупроводу. Ці питання більш докладно викладені в [20;22-25].

1.4 Основи радіолокаційних методів визначення координат та швидкостей цілей

Інформація про координати та швидкість цілі закладена, як відомо, у сигналі, відбитому від неї. Виявляючи часові або похідні від часу зміни сигналу, що прийшов, відносно до посланого, можна визначити місце- знаходження цілі та її швидкість. Можливі різні класифікації методів вимірювання вказаних параметрів. Зокрема, в [11;18] класифікація методів вимірювання координат цілей базується на параметрах сигналу (амплітуді, фазі або частоті). Будемо класифікувати методи вимірювання на амплітудні, частотні та фазові.

1.4.1 Амплітудний метод вимірювання дальності

Амплітудний метод застосовують при використанні імпульсного або безперервного випромінювання, при цьому останнє вимагає введення додаткової модуляції, наприклад шумової амплітудної модуляції. Амплітудний метод з використанням імпульсного випромінювання. Принцип дії РЛС з використанням цього методу ілюструється функціональнрю схемою та епюрами напруг у характерних точках імпульсного далекоміра, які подані на рис. 2.4.3,а,б. Генератор високої частоти під дією модулятора, який запускається напругою синхронізатора, генерує високочастотні імпульси тривалістю і з періодом повторення які через антенний перемикач та антену випромінюються у вільний простір. Особливості антенного перемикача такі; 1) він підмикає антену до генератора ВЧ тільки на час генерації , за останній час періоду (-) антена приєднана до приймача; 2) за рахунок кінцевої величини спрямованої дії перемикача невелика частина енергії зондувального поля все ж просочується до приймача, даючи на індикаторі позначку прямого імпульсу.

Відбиті від цілі сигнали надходять до приймача, у якому шляхом порівняння моментів випромінювання зондувального імпульсу та прийому відбитого визначають час запізнювання відбитого сигналу, тобто час дальності . Один з приладів, який широко застосовують для вимірювання часу запізнення, є електронно-променева трубка. При цьому до вертикально відхиляючих пластин трубки підводять імпульси напруги зі входу приймача , а до горизонтально відхиляючих - пилоподібну відхиляючу напругу яка синхронізована з роботою імпульсного модулятора. Отже, знаючи швидкість розгортки і визначаючи відстань між двома позначками від

випроміненого та відбитого імпульсів, просто визначити . Звідки дальність до цілі буде

(2.4.3)

Треба відзначити, що можливі й інші технічні рішення імпульсних далекомірів, зокрема як вихідні пристрої використовують автоматичні лічильні пристрої, опис яких наведено в [11;12].

Імпульсний метод дальнометрії має свої переваги та недоліки. До перших слід віднести простоту індикаторного пристрою, можливість одночасного вимірювання дальності до багатьох цілей, простоту розв'язки випромінених сигналів та тих, що приймаються, використання однієї антени. Головні ж недоліки - використання великих імпульсних потужностей, неможливість вимірювання дальності до цілей, що знаходяться в області "мертвої зони" радіолокатора, яка залежить від тривалості імпульсів, що випромінюються, та часу здійснення перехідних процесів у РЛС.

Метод шумової амплітудної модуляції далекомірів з безперервним опроміненням. Принцип дії РЛС з використанням указаного методу ілюструється функціональною схемою та часовими діаграмами, наведеними на рис. 2.4.4,а,б. Генератор шуму за допомогою модулятора здійснює напругою амплітудне модулювання безперервного коливання, яке надходить з генератора ВЧ. Зондувальний сигнал випромінюється антеною і, відбиваючись від цілі, через приймальну антенну надходить до приймача.

Виділений приймачем початковий сигнал , затриманий на час , подається до одного з входів кореляційного детектора, на другий вхід якого надходить затриманий у лінії затримки на час сигнал шуму . Змінюючи величину , на виході кореляційного детектора мають напругу,

величина якої пропорційна, а коли час спостереження достатньо великий, дорівнює значенню короткочасової автокореляційної функції шуму:

(2.4.4)

де - відносна затримка.

Як відомо, максимум кореляційної функції досягається при = 0, і, отже, за максимальний значенням вихідної напруги кореляційного детектора, яка відповідає випадку , можна вимірювати відстані до цілі. Коли потрібне одночасне спостереження цілей у всьому інтервалі дальності, функціональна схема (рис. 2.4.4,а) залишається такою ж, але є необхідність змінити вигляд лінії затримки так, щоб кожному визначеному інтервалу вимірюваних дальностей у ній відповідав би певний відвід, до якого під'єднують свій індивідуальний кореляційний детектор.

Головні переваги далекомірів безперервного випромінювання з шумовою амплітудною модуляцією такі: 1) однозначне визначення дальності цілі; 2) малий рівень безперервного випромінювання, що дає можливість спростити конструкцію передавача та антенно - хвилеводного тракту, а також збільшити середню потужність сигналу; 3) можливість здійснення прихованої роботи РЛС, оскільки шумовий сигнал станції є схожий на внутрішні шуми приймача виявлення, а отже, важко не тільки визначати тактико - технічні дані, а й самий факт роботи РЛС. Частотний метод вимірювання дальності. Принцип роботи РЛС з частотним методом вимірювання дальності засновано на визначенні часу запізнювання, який виділяється з різниці частот випроміненого та прийнятого сигналів. Принцип дії ілюструється функціональною схемою й часовими діаграмами, наведеними на рис.2.4.5.а,б. Генератор високої частоти під впливом модулятора, який керується генератором моделюючого коливання, що змінюється, наприклад, за рівностороннім (двостороннім) пилоподібним законом, виробляє сигнал безперервного випромінювання частотою , який через антену випромінюється у вільний простір.

У загальному випадку частота відбитого від цілі сигналу буде залежною від дальності цілі й радіальної складової відносної швидкості, тобто від доплерівського зсуву частоти. Тому спочатку розглянемо визначення дальності нерухомих об'єктів відносно стаціонарних РЛС. У цьому випадку дальність , а частота прийнятого сигналу змінюється за тим же законом, що й випроміненого

, (2.4.5)

,

(2.4.6)

де девіація частоти генератора ВЧ; - період модуляції випромінених коливань.

Різницева частота прийнятого, поданого на один з входів змішувача, та випромінюваного, поданого на другий вхід змішувача, сигналів на лінійних ділянках їх зміни виділяється змішувачем і визначається співвідношенням

, (2.4.7)

де швидкість зміни частоти сигналу, що вимірюється

. (2.4.8)

Отже,

. (2.4.9)

Отже, виміривши за допомогою частотного аналізатора різницеву частоту, можна визначити дальність до цілі із співвідношення

Вираз (2.4.10) можна застосувати для градуювання шкали частотного аналізатора безпосередньо в одиницях дальності

(2.4.10)

Слід звернути увагу на те, що коли дальність до цілі фіксована, залишається постійною лише на лінійних ділянках зміни частот випроміненого та прийнятого сигналів і, отже, перетворений змішувачем

сигнал є періодичний, з лінійним спектром і періодом повторення ,

спектральні лінії якого відповідають частотам [11]. Оскільки умова >> звичайно виконується, то головна частина енергії сигналу різницевої частоти міститься в спектральній складовій, частота якої найбільш близька до . Частотним аналізатором буде зафіксована саме ця, близька, але в загальному випадку не рівна на величину частота. Це призводить до методичних похибок вимірювання дальності. Оскільки є випадкова рівномірно розподілена в інтервалі () величина, то її максимальному значенню відповідає похибка у вимірюваннях дальності, яка дорівнює за (2.4.9) . Ця похибка може бути зведена до мінімуму через збільшення девіації частоти (наприклад, для Гц вона не буде більшою за 0,4 м). При цьому мінімальна різницева частота, яку здатен зафіксувати частотний аналізатор, визначається частотою модуляції , а мінімальна дальність складає .

Поданий вище матеріал стосувався визначення дальності до нерухомої та єдиної цілі. Якщо ж у зоні опромінення вимірювача дальності буде декілька цілей, які можна розрізнити, то кожній з них буде відповідати свій сигнал, мінімальна частотна різниця якого визначається , що відповідає різниці в дальностях двох цілей =. Отже, точність та роздільна здатність за дальністю частотного вимірювання дальності визначається девіацією частоти , отже, шириною спектра випромінюваного сигналу.

Для дальнометрії рухомих об'єктів є характерне те, що в різницеву частоту сигналу змішувача додається зміщення яке визначається ефектом Доплера. Оскільки умова практично завжди виконується, то зміщення за період модулювання можна вважати постійним. Згідно з рис.2.4.5,б у випадку рухомої цілі різницеві частоти та , які

відповідають дільниці зростання та зменшення частотної модуляції, можуть бути визначені через різницеву частоту для нерухомої цілі, яка знаходиться на тій же відстані, і доплерівське зміщення

=+; =-. (2.4.11)

Використовуючи, наприклад, прилади складання та віднімання, за (2.4.11) можна визначити частоти та .

=0,5(+) (2.4.12) =0,5(-) (2.4.13)

Отже, використавши рівносторонній пилкоподібний закон модуляції та визначивши та можна знайти не тільки дальність до цілі, а й радіальну швидкість цілі;

(2.4.13)

радіолокація сигнал координата швидкість

На завершення додамо, що до головних недоліків частотного методу у вимірюванні дальності слід віднести:

1) високі вимоги щодо лінійності девіації частоти;

2) труднощі ефективної розв'язки приймального та передавального трактів;

3) складність кінцевого пристрою (спектроаналізатора) для паралельного одержання інформації або значне збільшення часу огляду заданої частини простору, якщо використовується послідовний епектроаналізатор.

Головні переваги цього методу становить можливість вимірювання дуже малих дальностей, велика точність вимірювання дальності та роздільна здатність, використання малих потужностей сигналу, що випромінюється. Фазовий метод вимірювання дальності. Фазовий метод базується на визначенні різниці фаз між випроміненою електромагнітною хвилею та хвилею, що надійшла до входу приладу вимірювання після відбиття від поверхні цілі. Функціональна схема простого фазового далекоміра наведена на рис. 2.4.6. На виході детектора виділяється різницевий сигнал, фаза якого є пропорційна дальності до цілі . Дійсно, якщо РЛС випромінює безперервний сигнал з частотою та початковою фазою то подавши фазу зондувального () та прийнятого () сигналу співвідношеннями

=+

= , (2.4.15)

де та - фазові зсуви за рахунок відбиття радіохвилі від цілі та її проходження по ланцюгам РЛС, можна визначити результуючу різність

фаз

(2.4.16)

(2.4.17)

Випромінювач дальності, схема якого подана на рис. 2.4.6., не має широкого використання за таких обставин. По-перше, йому властива методична похибка вимірювань через невідому випадкову величину , яка входить до (2.4.17), поскільки може бути визначена експериментально. По-друге, через 2 періодичність фазових вимірювань, виключивши з аналізу далі і , маємо однозначно визначену дальність:

(2.4.18)

яка може бути прийнятна у випадку порівняно низьких частот, але на

частотах, які використовуються в радіолокації, вона дуже мала. При цьому відповідно буде малою похибка вимірювання дальності , яка визначається

з (2.4.17) за умови, що - допустима похибка вимірювання фази:

. (2.4.19)

Наприклад, для та 1 м буде меншою від 1,4 мм.

Недоліки простого фазового вимірювача дальності, що були зазначені, зникають, якщо використати або два високочастотних коливання з

близькими частотами та (функціональна схема такого вимірювача дальності подана на рис. 2.4.7), або додати низькочастотний модулятор, позначений на рис. 2.4.6 пунктиром. У цьому випадку дальність до цілі визначається через різницю фаз низькочастотних коливань з круговою частотою через співвідношення

 (2.4.20)

Порівнюючи (2.4.17) і (2.4.20), можна зробити висновок, що в останньому виразі вже визначена , а вважається на таких частотах малою [18]. Вибираючи частоту достатньо низькою, можна забезпечити великий діапазон однозначного вимірювання дальностей. Наприклад, для = 1000рад/с маємо = 940 км.

Робота двочастотного фазового вимірювача, схема якою подана на рис. 2.4.7, не вимагає особливих пояснень. У вільний простір передавальною антеною випромінюється складовий сигнал, який виробляється двома генераторами з близькими частотами та та напругами

; (2.4.21)

, (2.4.22)

де та - початкові значення фаз відповідних коливань. Одночасно ці сигнали подаються до змішувача І,

, (2.4.23)

Аналогічно з (2.4.21) і (2.4.22), відбитий сигнал може бути поданий у вигляді

; (2.4.24)

,

де враховані фазові зміщення та , що виникають при відбиванні сигналу від цілі, і не враховані фазові зміщення в ланцюгах РЛС, Сумарний сигнал (2.4.24) надходить до змішувача ІІ, на виході якого отримують коливання другої резонансної частоти

, (2.4.25)

яке також надходить до фазового детектора.

Оскільки частоти та близькі та задовольняють вимоги то фазові зміщення під час відбиття від цілі на обох частотах можна вважати однаковими (). Отже, вихідна напруга фазового детектора буде пропорційною різниці фаз коливань

(2.4.26)

вимірявши яку, можна визначити відстань до цілі

(2.4.27)

Змінюючи різницю частот можна забезпечити великий діапазон однозначного вимірювання дальності

(2.4.28)

Тоді, застосовуючи (2.4.19), похибка вимірювання дальності буде

(2.4.29)

Таким чином, мас місце суперечність: зі збільшенням різниці зменшується похибка вимірювання, але й зменшується діапазон однозначності. З метою запобігання вказаної суперечності збільшують

кількість частот у зондувальному сигналі [12], наприклад до трьох|. При цьому, якщо, то, застосовуючи та , можна

забезпечити великий діапазон однозначних вимірювань, а на частотах і уточнити вимір дальності. Фазовому методу далекометрії властиві переваги й недоліки, як і далекометрії з безперервним випромінюванням. До того ж суттєвий недолік фазової далекометрії, у тому числі й двочастотної, є те, що вона не має роздільної здатності за дальністю. Для забезпечення розділення дальності необхідно збільшити кількість частот у спектрі зондувального сигналу [12], що наближає його до широкосмугових сигналів, наприклад імпульсних. Останні якраз і мають здатність до далекометрії багатьох цілей. Аналогічними властивостями характеризується безперервний частотно-модульований сигнал.

Амплітудні методи вимірювання кутових координат.

Визначення кутових координат цілей здійснюється на основі використання приймача з антеною спрямованої дії й вимірювального пристрою, що в сукупності отримали назву кутовимірних, або пеленгаційних, пристроїв (пеленгаторів). До основних параметрів кутовимірних пристроїв відносять пелеигаційну чутливість і пеленгаційну характеристику . Характеристика являє собою залежність вихідної напруги приймача від напрямку надходження радіохвилі , а чутливість - крутизна пеленгаційної характеристики близько до направлення на ціль

(2.4.30)

Відповідно до того, за яким параметром сигналу - амплітудою, частотою чи фазою - відбувається формування пеленгаційної характеристики, методи вимірювання кутових координат можна поділити на амплітудні, частотні те фазові [18]. Частотні методи практично не застосовуються й нижче не розглядаються. Амплітудні методи вимірювання координат засновані на визначенні пеленга цілі за оцінкою амплітуди відбитої хвилі. При цьому відомі й широко застосовуються методи максимуму, мінімуму, порівняння й рівно сигнальний.

Метод максимуму. Принцип дії пеленгатора із застосуванням цього методу ілюструється функціональною схемою, поданою на рис. 2.4.8. У разі зміни кутового положення антени в момент попадання цілі в зону її спрямованої дії на виході приймача починає вироблятися сигнал, протяжність і форма якого для випадку лінійного приймача визначається з точністю до коефіцієнта пропорційності k діаграмою спрямованості системи

(2.4.31)

Вираз (2.4.31) є пеленгаційна характеристика кутовимірного пристрою, типовий вигляд якого поданий на рис. 2.4.9,а. Визначити момент збігу осі антени з напрямом на ціль, тобто пеленг цілі, який характеризується максимальною вихідною напругою приймача, не складно за показником повороту антени. При цьому точність виміру кута залежить від пеленгаційної чутливості. Дійсно, якщо приймач здатний розрізнити мінімальну зміну вихідної напруги тоді відповідно до цієї величини кутова похибка відповідно до (2.4.30) буде

. (2.4.32)

Отже, точність виміру кутової координати тим вища, чим більша пеленгаційна чутливість . Звідси можна дійти висновку, що точність виміру пеленга за методом максимуму відносно низька, оскільки для діаграми спрямованості будь-якого типу пеленгаційна чутливість дуже мала й в разі такого пеленга . Цією обставиною й зумовлений головний недолік методу максимуму. До переваг цього методу слід віднести простоту технічного рішення й можливість отримання за умов точного пеленга найбільшої амплітуди прийнятого сигналу.

Метод мінімуму. Особливість цього методу полягає в застосуванні систем з діаграмою спрямованості, що має значний провал у середній частині. Цього можна досягти або застосовуючи дві антени (рис. 2.4.9,б), розгорнуті одна відносно одної на кут, що відповідає ширині діаграми спрямованості за нульовим рівнем, або дискретною зміною положення однієї антени, коли інформація про кутове положення цілі, яка надходить з антени в разі кожного такого дискрету, додатково обробляється із затримкою в часі. Затримка в часі залежить від швидкості кутового переміщення антени із одного просторового дискретного положення в інше. У цьому випадку пеленг цілі визначають за моментом, коли ціль розташована в мінімумі середньої частини пеленгаційної характеристики, типовий вигляд якої поданий на рис. 2.4.9,в.

Очевидно, амплітудний метод мінімуму характеризується, з одного боку, високою точністю вимірів пеленга цілі завдяки високій пеленгаційній чутливості, а з іншого, - найменшою, порівняно з іншими амплітудними методами пеленгації, амплітудою відбитого сигналу близько до напрямку на ціль. Практично методом мінімуму можна пеленгувати тільки активні цілі з потужними джерелами випромінювання, за таких обставин він використовується в радіонавігації.

Метод порівняння. Принцип дії пеленгатора із застосуванням цього методу ілюструється функціональною схемою й просторовим розташуванням діаграм спрямованості нерухомого антенного пристрою, поданими на рис. 2.4.10,а,б. Пеленгаційна чутливість такого пеленгатора залежить від амплітуд сигналів на виході приймачів, які у свою чергу визначаються для лінійних приймачів з точністю до коефіцієнтів пропорційності і відповідними діаграмами спрямованості антен і , тобто

(2.4.33)

Здійснивши в лічильно-обчислювальному пристрої порівняння амплітуди і , наприклад віднімання або ділення, на виході такого пристрою будемо мати сигнал у вигляді

(2.4.34)

або

. (2.4.35)

Співвідношення (2.4.34) та (2.4.35) є пеленгаційні характеристики. Причому в першому випадку характеристика не буде залежати від дальності до цілі, її ЕВП і ракурсу, умов проходження електромагнітної хвилі у вільному просторі та ін. У таких умовах достовірність вимірів визначається непередбаченими величинами, виключити вплив яких можна за допомогою системи автоматичного регулювання підсиленням (АРП), яка забезпечує зміну коефіцієнтів підсилення обох приймачів.

Для реалізації пеленгаційної характеристики типу (2.4.35) не треба застосовувати АРП, оскільки, застосовуючи приймачі не з лінійними, а, наприклад, з логарифмічними амплітудними характеристиками, можна уникнути вказаних вище додаткових похибок тому, що в цьому випадку на виході приймачів будемо мати

(2.4.36)

а після віднімання

(2.4.37)

Вигляд пеленгаційної характеристики за (2.4.37) поданий на рис. 2.4.10,в.

Очевидно, що, застосовуючи цей метод, можна практично миттєво визначити пеленг цілі в межах відносно широкого сектора кутів, коли антенна система нерухома. Але точність вимірів цього методу низька й суттєво залежить від характеристик антен, що використовуються, їх взаємного розташування, а також від напрямку надходження хвилі.

Рівносигнальний метод. Означені вище недоліки зникають у разі використання рухомого антенного пристрою з ділянкою рівносигнальної зони діаграм направленості, поданих на рис. 2.4.10,б, або однієї антени з діаграмою направленості, що періодично змінюється, коли сигнали, що зрівнюються, прийняті в різні моменти часу при різних положеннях діаграми направленості. Відлік пеленга цілі здійснюється в той момент, коли ціль попадає в зону рівносигнального напряму , тобто коли амплітуди сигналів кожного з приймачів стають рівними між собою, а вихідна напруга дорівнює нулю. Цей метод характеризується високою точністю, оскільки застосовує ділянку діаграми направленості з відносно великою крутизною, і до входу приймальної антени надходять сигнали значно більші від тих, що діють в інших амплітудних пеленгаторах (включаючи пристрої, які реалізують метод максимуму).

Фазовий метод вимірювання кутових координат

В основу фазових методів покладена зміна різниці фаз електромагнітних коливань, які приймаються двома антенами, розташованими в одній площині з базовою відстанню (рис. 2.4.11,а). Сигнали, що прийняті з кожної антени, можна описати співвідношеннями

(2.4.38)

Де - зсув фаз високочастотних коливань, зумовлений різницею у відстанях від цілі до кожної з антен, базова відстань яких орієнтована під кутом до напрямку надходження відбитої хвилі. Кожний з сигналів, який описується (2.4.38), надходить до підсилювачів-обмежувачів, які здійснюють нормування амплітуди коливань, наприклад шляхом амплітудного обмеження, і потім до фазового детектора.

Вихідна напруга фазового детектора буде залежати тільки від різниці фаз коливань, що надходять, тобто

(2.4.39)

Коли значення малі (), чого можна завжди досягти, наприклад, за допомогою повороту антен, і тоді, оскільки

(2.4.40)

пеленгаційна характеристика відповідно з (2.4.39) буде мати вигляд

(2.4.41)

Графічно ця характеристика подана кривою на рис. 2.4.11,б.

Вимірявши , можна відзначити пеленг цілі, причому, як помітно з рис. 2.4.11,б, точність вимірювання біля значення низька, оскільки пеленгаційна чутливість невелика. Крім того, існує неоднозначність у визначенні кутового зміщення цілі відносно перпендикуляра, установленого до центра базової відстані . Указані недоліки можна усунути, якщо в один з антрактів після будь-якого підсилювача-обмежувача ввести штучне фазове зміщення сигналу на 90° за допомогою фазозсувного елемента, означеного на рис 2.4.11,а пунктиром. У цьому випадку пеленгаційна характеристика описується співвідношенням

, (2.4.42)

Такий метод характеризується відносно високою точністю. Однак слід відзначити суттєвий недолік фазового методу, який полягає у відсутності розподілу цілей і неоднозначності виміру фази, оскільки вона періодична.

 (2.4.43)

Наприклад, для сантиметрових хвиль значення є незначна величина. Неоднозначність вимірювання пеленга вказаним методом може бути усунена введенням багатобазової антенної системи [11], що в найпростішому випадку містить три випромінювача. Два близько розташованих випромінювача з малою базовою відстанню забезпечують грубий однозначний відлік пеленга цілі, а задана точність вимірів здійснюється збільшенням базової відстані до третього випромінювача.

4.4.6. Вимірювання швидкості цілі Повна швидкість руху цілі може бути подана через радіальний і тангенціальний складники у вигляді співвідношення

(2.4.44)

Радіальна швидкість може бути визначена як

(2.4.45)

а тангенціальна як

(2.4.46)

(2.4.47)

Можливий інший спосіб визначення який оснований на застосуванні різниці доплерівських частот і

 (2.4.48)

де - базова відстань між антенами.

Отже, для визначення повної швидкості цілі потрібно знати доплерівські зміщення частоти, які дають змогу визначити радіальний складник швидкості за співвідношенням (2.4.45), і дальності до цілі, необхідної для визначення тангенціального складника швидкості за виразом (2.4.46), де визначається або за (2.4.47), або за (2.4.48). Отже, радіолокаційний пристрій забезпечуватиме вимірювання повної швидкості цілі в тому випадку, якщо він складатиметься з далекоміра, який аналогічний описаному в 4.4.1, доповненого або вимірювачем частоти Доплера, або пеленгаційним пристроєм; опис деяких з них подано в підрозд. 4.4.2 і 4.4.3. Виділення більш наглядно проілюстровано на функціональній схемі найпростішого вимірювача частоти (рис. 2.4.12).

Нехай передавач РЛС утворює монохроматичні коливання з частотою і початковою фазою

(2.4.49)

і з допомогою передавальної антени опромінює ціль. Відбитий сигнал надходить до входу змішувача у вигляді

(2.4.50)

де час запізнення відбитої хвилі

.

Тут - поточна дальність до рухомої цілі, - дальність до цілі на момент початку відліку

, - зміна фази хвилі при відбиванні від цілі. Тоді різниця фаз випромінених та прийнятих коливань складе

(2.4.51)

За умови постійності , що є характерне для повільних флуктуацій цілі, є детермінована функція часу, тобто

(2.4.52)

На виході змішувача утворюються коливання з круговою або циклічною частотою

(2.4.53)

які підсилюються підсилювачем і аналізуються частотним вимірювачем. Суттєвий недолік найпростішого вимірювача доплерівських частот становить низька чутливість. Використання супергетеродинного приймання

відбитих сигналів дозволяє значно підвищити чутливість вимірювача (його функціональна схема наведена на рис. 2.4.13), оскільки рівень шумів кристалічного змішувача менший в області відносно високої проміжної частоти , на якій і відбувається головне підсилення сигналу. За допомогою другого перетворення частоти, котре здійснюється гетеродином П і змішувачем П, виділяється доплерівська частота .

Вимірювання доплерівського зміщення відбитого від цілі сигналу, за яким визначають швидкість, можна також здійснювати шляхом використання імпульсного режиму роботи станції за принципом, викладеним, наприклад, у [11,12,29].

Реализация макетов и устройств как технических средств обучения по формированию радиолокационной информации

Аспекты моделирования радиолокационных методов получения сведений об объектах/целях

Выше были изложены физические основы радиолокационных методов определения координат и параметров движения целей. В последующих параграфах будет изложено физическое моделирование непосредственного процесса (алгоритма) получения радиолокационной информации об объектах исследования в виде описания систем, устройств и макетов, с помощью которых осуществлено это моделирование. Напомним, что физическое моделирование состоит в замене изучения конкретного объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу.

В общем случае под моделью принято понимать или образ (в том числе условный или мысленный в виде изображения, описания, схем, чертежей, графиков, планов, карт и т. п.), или прообраз (образец) какого-либо объекта («оригинала» данной модели), используемый в качестве «заместителя» или «представителя». Дословно модель (от франц. modиle, итал. modello, от лат. modulus) - мера, мерило, образец, норма. Фактически модель отображает идею или «имитации» (описания) чего-то «сущего» (некоей действительности, «натуры», первичной по отношению к модели), или, напротив, реализует принцип «реального воплощения» некоторой умозрительной концепции, в которой первичным понятием выступает уже сама модель. Такая многозначность термина становится понятной, если учесть, что понятие модель в конкретных науках так или иначе связывают с применением моделирования, т. е. с выяснением (или воспроизведением) свойств какого-либо объекта, процесса или явления с помощью другого объекта, процесса или явления - его «модели».

В любом процессе познания, руководствуясь принципом от простого к сложному, очевидна целесообразность использования на начальном этапе упрощённого образа моделируемого объекта познания. Причем и такое понимание термина «модель» не является окончательным и бесспорным: если преследуется цель упрощения изучаемого объекта при моделировании в каких-либо определённых отношениях, то нет никакого резона требовать, чтобы модель была во всех отношениях проще «оригинала» - наоборот, имеет смысл пользоваться любым, сколь угодно сложным арсеналом средств построения модели, лишь бы они облегчали решение проблем, ставящихся в данном конкретном случае. В частности, для нашего случая приобретения радиофизических навыков познавательного процесса в радиолокации в соответствии с различными назначениями методов моделирования понятие «моделирования» используется фактически с целью получения объяснений различных явлений и процессов в данной области науки и техники. Здесь моделирование преследует цель облегчения исследования радиолокационных объектов познания на их моделях при изучении реально существующих явлений, лежащих в основе построения радиолокационных инженерных конструкций. При этом «объяснительная» функция модели проявляется при использовании их в педагогических/образовательных целях, где, при всём очевидном многообразии аспектов использования макетов, их объединяет представление о модели прежде всего как об инструменте познания.

Очевидно, что любая классификация методов моделирования обречена на неполноту, поскольку терминология в области радиолокации опирается не столько на «строгие» правила (до сих пор нет стандартов по радиолокационной терминологии), сколько на языковые, научные и практические традиции, а ещё чаще определяется в рамках конкретного контекста и вне его никакого стандартного значения не имеет (типичный пример - понятия радар и РЛС).

Изложенные ранее в первой части учебного пособия аспекты электродинамического моделирования применялись при изучении электромагнитных явлений на объектах дифракции при ближней радиолокации, где зачастую электродинамическая модель представляла собой в определённом масштабе копию объекта исследования с полным или частичным сохранением физической природы её основных параметров (характеристик).

Ниже, использован особый вид физического моделирования, основанный на применении специальных устройств (макетов), сочетающих физические модели с натурными приборами. В частности, это имитаторы в виде активной или пассивной цели, используемые для создания конкретной радиолокационной обстановки в лабораторных условиях, далеко отличных от полигонных или натурных; - это тренажеры и установки в виде классических (для учебных целей) лабораторных работ; - это, наконец, испытательные стенды (например, БЭК для исследования ЭПОР объектов или моделирования бесстолкновительной плазмы) и т.д.

Зачастую такое моделирование называют предметным, поскольку в ходе него ведётся исследование на модели, воспроизводящей основные физические, электродинамические и функциональные характеристики «оригинала». Фактически изучаются процессы, происходящие в оригинале, - в нашем случае радиолокационном объекте исследования.