Принципы построения индикаторов обзорных РЛС

В подразделе 6.1 показано, что для получения изображения на экране ИКО должен быть создан полярный растр, называемый радиально-круговой разверткой (РКР) электронного пучка. Если используются ЭЛТ с магнитным управлением, то необходимо создавать однородное отклоняющее магнитное поле, напряженность которого должна изменяться по закону, обеспечивающему необходимую радиальную развертку по дальности. При этом одновременно должен происходить относительно медленный поворот магнитного поля в плоскости, перпендикулярной оси трубки с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения антенны по азимуту.

Для поворота и изменения напряженности магнитного поля на практике применяются следующие способы:

1. Способ вращающихся отклоняющих катушек (ОК), питаемых током неизменной амплитуды;

2. Способ неподвижных ОК (двух пар и более), питаемых током изменяющейся амплитуды.

6.2.1. Функциональный состав индикатора

Индикатор РЛС состоит из ряда электронных устройств, обеспечивающих выполнение возлагаемых на него функций.

Оконечным элементом индикатора является ЭЛТ. На трубку подаются:

напряжения или токи для создания разверток (растра);

видеосигналы с выхода приемника;

импульсы масштабных отметок;

сигналы формирования подвижного электронного маркера;

сигналы коммутации для изменения режимов работы;

напряжения, обеспечивающие исходный режим работы.

В соответствии с этим индикатор должен включать следующие основные устройства, которые часто называют каналами:

канал формирования разверток;

канал сигналов;

канал формирования электронного маркера;

канал коммутации;

устройство управления режимом работы трубки;

канал масштабных меток высоты.

Структурная схема обобщенного индикатора изображена на рис.6.8, где показаны также основные функциональные связи.

Рис.6.8. Обобщенная структурная схема индикатора

Канал формирования разверток является основным каналом индикатора и обеспечивает создание необходимого растра. Он может содержать или только устройство формирования развертки дальности, либо устройство, формирующее две развертки: развертку дальности и развертку угла (азимута или угла места). В общем случае напряжение или ток развертки являются функциями измеряемой координаты (дальности, азимута или угла места).

Если в индикаторе используется трубка с электростатическим управлением, то канал развертки формирует пилообразное напряжение развертки, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины трубки, вызывающее перемещение электронного пучка по экрану. В индикаторах дальности и одной угловой координаты, использующих трубки с магнитным управлением, канал разверток обеспечивает формирование двух разверток: развертки дальности и развертки угла. Отклонение электронного пучка осуществляется магнитным полем, которое создается изменяющимся током, протекающим в отклоняющих катушках. Начало формирования развертки дальности фиксируется импульсом запуска. Для создания угловой развертки обеспечивается дистанционная передача угла поворота антенны к отклоняющей системе трубки.

Рис.6.9. Структурная схема канала сигналов

Канал сигналов предназначен для передачи усиленных приемником эхо-сигналов, импульсов масштабных отметок и импульсов маркерного сигнала к электродам трубки. В состав канала сигналов входит один или несколько каскадов видеоусилителя с цепями замешивания входных сигналов, ограничитель амплитуд и фиксирующие схемы. Структурная схема канала приведена на рис.6.9. Видеоусилитель в канале является дополнительной ступенью усиления сигналов. Ограничитель осуществляет ограничение слишком мощных сигналов (например, отраженных от мощных местных предметов), которые могут вызывать дефокусировку электронного пучка. Фиксирующая схема служит для сохранения постоянного потенциала на модулирующем электроде трубки или отклоняющих пластинах при изменении скважности импульсов.

Устройство управления режимом работы трубки обеспечивает питание трубки, возможность фокусировки электронного пучка, регулировки яркости изображения, а также возможность смещения начала развертки. Структурная схема устройства приведена на рис.6.10.

Рис.6.10. Структурная схема устройства управления режимом трубки

Канал формирования электронного маркера вырабатывает импульсы требуемой формы, задержанные на определенное время относительно моментов начала разверток. Эта задержка плавно регулируется и точно фиксируется, что дает возможность размещать маркер в любой точке экрана.

Рис.6.11. Структурная схема канала формирования электронного маркера

Структурная схема канала приведена на рис.6.11. Манипулятор положения маркера, перемещаемый вручную оператором, вырабатывает напряжения, соответствующие координатам положения маркера на экране индикатора. Эти напряжения управляют устройством задержки сигналов маркера, под воздействием которых формируется маркерный сигнал требуемой формы.

Маркерный сигнал поступает как в устройство коммутации разверток, так и для подсвета электронного пучка трубки через канал сигналов. В результате на экране индикатора в любой желаемой точке образуется маркерная метка заданной формы. В канале формирования маркера вырабатываются координатные напряжения, обеспечивающие полуавтоматический съем координат целей.

Канал коммутации обеспечивает воспроизведение на экране индикатора сигналов нескольких радиолокационных каналов, подвижных маркерных меток и других служебных сигналов. В РЛС обнаружения имеется необходимость воспроизводить на индикаторе сигналы от нескольких радиолокационных каналов, осуществляющих поиск в разных участках зоны обзора (в целях сокращения времени обзора). Поэтому канал коммутации обеспечивает получение двух и более быстрочередующихся изображений на экране трубки, имеющей один электронный пучок. Входящее в канал коммутации устройство формирования селекторных импульсов под воздействием импульсов запуска, сигналов, характеризующих положение антенны, и маркерных сигналов вырабатывает специальные импульсы, управляющие устройством переключения. Устройство переключения переключает сигналы, подаваемые на отклоняющую систему трубки, чем обеспечивается изменение закона движения электронного пучка, а также переключение эхо-сигналов радиолокационных каналов и сигналов подсвета, высвечивающих требуемое изображение на экране.

Канал масштабных меток высоты имеется только в индикаторах измерения высоты, что определяется спецификой формирования этих меток. Масштабные метки дальности и азимута в РЛС обнаружения формируются самостоятельными системами формирования масштабных меток и рассматриваются отдельно.

6.2.2.ИКО с вращающимися отклоняющими системами

Для создания радиально-круговой развертки (РКР) с помощью вращающихся отклоняющих катушек (ОК), формирующих магнитное поле, которое отклоняет электронный пучок перпендикулярно линиям магнитного поля, требуется их питание током пилообразной формы постоянной амплитуды I_m.

На рис.6.12 приведена функциональная схема типового ИКО, использующего вращающиеся ОК для создания РКР.

Рассмотрим работу канала развертки. На рис.6.13 показана упрощенная схема, а на рис.6.14 - эпюры, поясняющие работу схемы.

Ограничитель предназначен для исключения запуска развертки от случайных импульсных наводок и осуществления запуска стабильными по амплитуде импульсами.

Расширитель представляет собой ждущий мультивибратор и предназначен для обеспечения нормальной работы генератора линейно изменяющегося тока (ЛИТ). Пилообразный ток, создаваемый ЛИТ, протекая от отклоняющим катушкам, формирует изменяющееся магнитное поле, перемещающее электронный пучок вдоль радиуса экрана ЭЛТ, т.е. образует линейную развертку по дальности. Отклоняющие катушки вращаются в плоскости, перпендикулярной оси трубки, со скоростью, равной скорости вращения антенны. Таким образом, необходимый закон поворота магнитного поля обеспечивается поворотом самих катушек.

Рис.6.12. Функциональная схема ИКО с вращающимися отклоняющими системами

Рис.6.13. Упрощенная структурная схема канала развертки дальности

Рис.6.14. Эпюры, поясняющие работу канала развертки дальности

В магнитных трубках, используемых в ИКО, отклонение электронного пучка прямопропорционально току i_к отклоняющих катушек (ОК), а не напряжению U_к, как в электростатических трубках, т.е. именно ток i_к должен меняться по линейному закону.

Такой ток генерировать труднее, чем линейно-изменяющееся напряжение, т.к. полное сопротивление ОК имеет малую величину и комплексный характер. Оно образуется индуктивностью L_к, паразитной емкостью С_к, сопротивлением потерь r_к катушки и сопротивлением шунта Rш (рис.6.15, а), где

u_r = i_к·r_к;

;

u_к = u_L + u_r.

Эпюры напряжений, поясняющие работу схемы, показаны на рис.6.15, б.

Поскольку ток должен изменяться по линейному закону, что сложно технически, то предпочтение отдают созданию линейно изменяющегося напряжения. В этом случае напряжение на ОК (эквивалентная схема ОК содержит параллельное соединение активного сопротивления шунта R_ш, реактивных сопротивлений индуктивности и емкости катушки) равно сумме напряжений на активном сопротивлении катушки и индуктивности. Это приводит к тому, что напряжение на ОК будет трапециадальным по форме, следовательно, здесь корректнее использовать название генератор импульсов трапециадальной формы.

а) б)

Рис.6.15. Эквивалентная схема ОК (а) и эпюры, поясняющие ее работу (б)

Для передачи вращения от антенны к ОК могут быть применены механическая передача или синхронно-следящая система. Механическая передача вращения может быть осуществлена с помощью гибкого вала либо зубчатой передачи. Однако в этом случае получаются большие ошибки (+1^о) и невозможно передать вращение антенны на большие расстояния. Если расстояние между приводом антенны и индикатором не превышает 1-1.5 метра, то используют связь механическую с помощью гибкого вала. Синхронно-следящая система обеспечивает высокую точность передачи и широко применяется в индикаторах РЛС.

Устройство смещения центра обеспечивает вынос начала развертки в любую точку экрана и за его пределы. Для этого катушка смещения развертки током, величина которого может меняться в требуемых пределах и поворачиваться относительно горловины трубки на любой угол.

6.2.3. Индикатор кругового обзора с неподвижной

отклоняющей системой

При создании РКР с помощью неподвижных ОК необходимое изменение напряженности магнитного поля может быть получено применением двух и более пар неподвижных отклоняющих катушек. Обычно используют две пары взаимно перпендикулярных неподвижных катушек, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси трубки.

На рис.6.16 приведена функциональная схема типового ИКО, использующего неподвижные отклоняющие системы для создания РКР.

Катушки питаются синхронными импульсами тока одинаковой формы и длительности, обеспечивающими требуемый закон радиальной развертки дальности. Для поворота линии развертки на экране трубки импульсы тока в катушках модулируются по амплитуде соответственно по синусоидальному и косинусоидальному законам. Процесс формирования РКР пояснен рис.6.17, из которого следует, что для получения линейной радиальной развертки должно быть выполнено условие

y(t) = ctg β x(t), (6.8)

где ctg β - постоянный коэффициент, характеризующий направление линии развертки на экране трубки. Необходимость вращения линии развертки вокруг точки О приводит к необходимости изменения этого коэффициента.

Условие неизменной длины АО=R линии развертки можно записать в виде

X_m² + Y_m² = R² (6.9)

С учетом (6.8) из (6.9) можно получить

X_m=R sinβ; Y_m = R cosβ. (6.10)

Если обозначить w - число витков каждой пары катушек, а k - чувствительность трубки, то из (6.10) получим

X_m= k I_mx w = R sinβ; Y_m = k I_my w = R cosβ. (6.11)

Тогда

I_mx = R sinβ /(k w); I_my = R cosβ /(k w). (6.12)

Необходимые законы изменения тока во времени показаны на рис.6.17.

Рис.6.16. Функциональная схема типового ИКО, использующего неподвижные отклоняющие системы для создания РКР

Рис.6.17. Упрощенная схема формирования отклоняющих токов

Рис.6.18. Эпюры, поясняющие формирование модулированных по амплитуде импульсов

Формирование модулированных по амплитуде импульсов тока (рис.6.18) может быть получено различными способами. Практически находят применение схемы, в которых предварительно создаются импульсы развертки нужной частоты и длительности с последующей их модуляцией по закону sinβ и cosβ. Функциональная схема такого устройства приведена на рис.6.17. Импульсы линейно изменяющегося тока одинаковой амплитуды и длительности поступают на модулирующее устройство, которому передается вращение антенны. Варезультате получаются два вида амплитудно-модулируемых импульсов тока, необходимых для получения РКР при двух парах неподвижных отклоняющих катушек. В качестве модулирующего устройства могут быть применены:

синусно-косинусный потенциометр;

переменный (синусно-косинусный) емкостной делитель напряжения;

синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ);

сельсин.

Синусно-косинусный потенциометр обеспечивает наиболее простое по конструкции устройство. Основной недостаток - наличие трущихся контактов, что ограничивает надежность и срок службы.

Переменный емкостной делитель напряжения может применяться при очень быстрых развертках. Форма пластин конденсаторов переменной емкости выбирается так, чтобы при вращении их роторов коэффициент передачи изменялся по синусоидальному закону.

СКВТ схематически изображен на рис.6.19. Статорные обмотки СКВТ пространственно расположены под углом 90^о. Ротор СКВТ вращается синхронно с антенной. При подаче на роторную обмотку импульсов развертки одинаковой амплитуды со статорных обмоток могут быть получены необходимые импульсы. Для СКВТ необходимы элементы, позволяющие фиксировать положение начала линии развертки (фиксаторы).

Рис.6.19. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)

Сельсин в качестве модулятора может быть применен по схеме, показанной на рис.6.20. При подаче на вход сельсина импульсов напряжения развертки на выходе получаются необходимые импульсы. С помощью изменения величины сопротивления между общей точкой О и движком потенциометра R, можно получить сдвиг фаз напряжений U₁ и U₂ на 90^о.

Устройства фиксации начала развертки. Для нормальной работы ИКО необходимо, чтобы электронный пучок каждый раз начинал движение из одной и той же точки экрана (центра). Этого можно достичь, если:

все развертывающие напряжения для этой точки равны нулю;

результирующие горизонтально и вертикально отклоняющие магнитные поля отсутствуют, что наблюдается при равенстве анодных (коллекторных) токов всех оконечных усилителей.

Рис.6.20. Схема включения сельсина в качестве модулятора

Рис.6.21. Схема фиксатора уровня

При прохождении серии пилообразных импульсов, содержащих постоянную составляющую, через модулятор на СКВТ или сельсине, происходит потеря постоянной составляющей, что отличает их от требуемых. Поэтому начало развертки будет перемещаться.

Рассмотрим действие фиксаторов уровня. Оно основано на использовании свойств нелинейной переходной цепи (рис.6.21). Если серия импульсов (рис.6.22, а) проходит через линейную цепь RC, имеющюю одинаковые сопротивления заряда и разряда (R_з=R_р), то происходит потеря постоянной составляющей выходного сигнала (6.22, б). Конденсатор, зарядившись за время действия импульса, за время паузы разряжается не полностью. Поэтому напряжение на переходной емкости растет до уровня постоянной составляющей, т.е. конденсатор заряжается под действием постоянной составляющей входного напряжения.

При прохождении импульсов через нелинейную переходную цепь (R_з≠ R_р) и при том R_з> > R_р, конденсатор быстро разряжается после окончания входного импульса. Поэтому постоянная составляющая на выходе почти полностью сохраняется (рис.6.22, в). Таким образом, происходит фиксация нулевого уровня снизу. Аналогично, при R_з< < R_р может быть осуществлена фиксация нулевого уровня сверху.

Рассмотрим работу простейшего фиксатора нулевого уровня снизу по принципиальной схеме (рис.6.21).

Рис.6.22. Эпюры, поясняющие работы фиксатора уровня

Во время действия импульсов (а) происходит заряд конденсатора С. Поскольку при этом напряжение U_вых = U_вх-U_с > 0 и приложено плюсом к катоду диода (нелинейный элемент), а минусом к аноду, то диод заперт и ток заряда проходит через R_з=R. В паузах, когда U_вх=0, конденсатор С разряжается, т.к. при этом напряжение U_вых = -U_с < 0 и приложено плюсом к аноду, а минусом к катоду, диод в этом случае открыт. Внутреннее его сопротивление в проводящем состоянии мало R_д< < R, поэтому R_р≈ R_д и ток разряда происходит быстро через диод.

Сравнение способов получения РКР. Основными преимуществами отклоняющих систем с вращающимися катушками являются:

простота генератора развертки дальности, обусловленная независимостью амплитуды тока развертки от азимутального положения;

возможность использования ОК без сердечников, что позволяет уменьшить вес системы;

потребление меньшей мощности от источников питания;

отсутствие вращающегося трансформатора исключает вносимые им искажения развертки.

С другой стороны, при неподвижных ОК не требуется устройство механического вращения ОК. В РЛС РТВ широко используются оба перечисленных способа получения РКР.