Выбор структурных схем. Разработка любого из каналов РЛ, в том числе и УМК, требует системного подхода, когда производится оценка структуры и параметров не только данного канала

Разработка любого из каналов РЛ, в том числе и УМК, требует системного подхода, когда производится оценка структуры и параметров не только данного канала, но и РЛ в целом. При таком подходе можно учесть взаимозависимость параметров отдельных каналов, проявляющуюся, в частности, в том, что сигналы и устройства, позволяющие получить наилучшие показатели канала скорости, оказываются не подходящими для канала дальности. Учет указанных взаимозависимостей приводит к структурным схемам, основанным на компромиссе между конфликтующими требованиями к отдельным каналам РЛ. Если такой компромисс достичь не удается, приходится идти по пути усложнения РЛ, например, за счет последовательного во времени решения поставленных перед РЛ задач. В этом случае на предельных дальностях может производиться поиск цели по угловым координатам, затем измеряется скорость цели, а при сближении с целью осуществляется измерение ее дальности.

В данном разделе предлагается один из вариантов разработки структурной схемы РЛ, а также схем угломестного канала и устройства коррекции неидентичностей приемных трактов этого канала, существенно влияющих на его точность. Предполагается, что в РЛ используется простой импульсный зондирующий сигнал, а модулирующие импульсы имеют прямоугольную форму.

Структурная схема РЛ. В соответствии с поставленными перед РЛ задачами он должен иметь канал обнаружения движущихся целей (ОДЦ) и четыре измерительных канала, служащих для определения угла места, азимута, скорости и дальности цели. Наличие ОДЦ и необходимость измерения скорости требуют применения когерентного зондирующего сигнала. Последний, как указывалось, должен быть импульсным.

Упрощенная структурная схема такого РЛ представлена на рис.1.3. Источником когерентных колебаний служит синтезатор частот СЧ. Основой СЧ является когерентный генератор частоты, из которой путем дробно-рациональных преобразований формируются частоты всех сигналов, необходимых для работы РЛ. Передатчик Прд представляет собой умножитель частоты выдаваемого СЧ сигнала ( -несущая частота) в k раз с последующим усилителем мощности, периодически отпирающимся при поступлении с СЧ синхронизирующих импульсов с частотой повторения (синхросигнал СС). Полученный в Прд зондирующий сигнал через переключатель прием-передача ППП направляется к антенной системе АС.

Рис. 1.3

В состав АС входят приемно-передающая фазированная антенная решетка ФАР и радиочастотный сумматор РЧС. Антенная решетка имеет четыре модуля (рис. 1.4, а), коммутация которых производится с помощью РЧС. При передаче РЧС выполняет функцию делителя мощности зондирующего сигнала между модулями ФАР. Сфазированные соответствующим образом сигналы этих модулей позволяют сформировать суммарную диаграмму направленности антенны (ДНА) при работе радиолокатора в режиме передачи зондирующего сигнала.

При приеме РЧС формирует пять сигналов:

где - сигнал, снимаемый с i-го модуля. Сигнал подается на приемно-усилитёльный тракт ПУТ-S, а сигналы и используются измерителем угловых координат ИУК для нахождения соответственно азимута и угла места цели. В частности, в УМК при этом ФАР преобразуется в антенну с двумя фазовыми центрами, разнесенными в вертикальной плоскости (рис.1.4, б). Управление сканированием ДНА в процессе поиска цели осуществляется с помощью управляющего сигнала УС-2, поступающего с ЭВМ радиолокатора ЭВМ РЛ. Сигнал УС-1 служит для переключения коммутаторов ИУК при коррекции неидентичностей приемно-усилительных трактов. Информация о азимуте и угле места цели поступает в ЭВМ РЛ.

Рис. 1.4

Усиленный и отфильтрованный суммарный сигнал с ПУТ-S подается на обнаружитель движущихся целей ОДЦ, измеритель скорости ИС и измеритель дальности ИД. Сигнал обнаружения СО, а также информация о дальности R и скорости V цели направляются (обычно в цифровой форме) в ЭВМ РЛ, а после соответствующей обработки (например, после определения траектории цели) - внешним потребителям ПИ. Входящая в состав РЛ ЭВМ может использоваться и для управления радиолокатором, в частности - для изменения длительности импульса по мере сближения с целью, что делается обычно для повышения точности дальнометрии.

Рис. 1.5

Структурная схема угломестного канала. Как указывалось выше, измеритель угловых координат ИУК должен определять азимут и угол места цели и содержит в связи с этим два идентичных по схеме канала: канал азимута и угломестный канал.

Структурная схема угломестного канала показана на рис. 1.5. Канал может работать в двух режимах: рабочем, когда измеряется угол , и калибровочном, когда корректируются неидентичности трактов обработки сигналов. Последний режим и соответствующая схема устройства коррекции УК (выделена на рис. 1.5) будут рассмотрены отдельно. В рабочем режиме коммутатор подключает выход углового дискриминатора к устройству управления диаграммой направленности УУДН.

Угловой дискриминатор содержит два ПУТ и фазовый детектор ФД. Сигнал ФД преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Входящие в ПУТ-1 и ПУТ-2 амплитудные ограничители АО служат для устранения влияния амплитудных флуктуаций сигналов и на точность определения угловых координат. Фазовый сдвиг на 90° в одном из ПУТ необходим для получения дискриминационной характеристики вида , где - сдвиг по фазе сигналов и , несущий информация о угле . На смесители См обоих ПУТ подается один и тот же сигнал гетеродина от синтезатора частот СЧ, чем обеспечивается равенство фазовых сдвигов, вносимых гетеродинирующим сигналом в сигналы, усиливаемые в УПЧ верхнего и нижнего (по схеме) приемных трактов.

На рис. 1.6, а показаны два приемных элемента и , разнесенные на расстояние Б в вертикальной плоскости, соответствующие фазовым центрам верхней и нижней частей антенной решетки, изображенной на рис. 1.4, б. Расстояние Б называют базой. Угол между направлением на цель Ц и равнофазным направлением РФН (перпендикуляром к базе) является углом рассогласования. Значение угла должно сводиться к нулю путем поворота антенной решетки в процессе автоматического сопровождения цели по углу места.

Рис. 1.6

В идеальном угломестном канале (как и в любом идеальном фазовом радиопеленгаторе) фазовые неидентичности каналов усиления принятых сигналов по высокой () и по промежуточной частотам отсутствуют (т.е. ). Тогда разность фаз сигналов и (рис. 1.6, 6) находится как

, (1.4)

где - длина волны принимаемого сигнала.

На выходах ПУТ-1 и ПУТ-2 (см. рис. 1.5) действуют сигналы

;

,

где - амплитуда сигнала, соответствующая порогу ограничения в амплитудных ограничителях АО. При этом напряжение на выходе фазового детектора ФД (сигнал ошибки) будет (см. рис. 1.6, в)

, (1.5)

где - коэффициент передачи фазового детектора.

Сигнал подается (в данном УМК в цифровой форме) на устройство управления диаграммой направленности УУДН, вызывая такой поворот ДНА, при котором стремится к нулю.

Структурная схема устройства коррекции. Необходимость коррекции вызывается тем обстоятельством, что при и соотношение (1.5) принимает вид

. (1.6)

Отсюда следует, что при нахождении цели на равнофазном направлении РФН, когда , не будет равно нулю и ДНА будет продолжать свое движение до тех пор, пока за счет возникающего при этом приращения не будет скомпенсирован появившийся из-за неидентичности приемных трактов фазовый сдвиг . Сказанное поясняется векторными диаграммами, показанными на рис. 1.7, где диаграмма " а" соответствует сигналам на входе ПУТ-1 и ПУТ-2, диаграмма " б" - сигналам на входе ФД, а диаграмма " в" - тоже сигналам на входе ФД, но при нахождении цели на РФН.

Рис.1.7

Таким образом неидентичность фазовых характеристик ПУТ-1 и ПУТ-2 приводит к аппаратурной погрешности

(1.7)

Источники и методы снижения аппаратурных погрешностей моноимпульсных радиопеленгаторов (в том числе и рассматриваемого класса) детально описаны в работе. В качестве примера на рис. 1.5 показана структурная схема устройства коррекции неидентичностей, основанная на введении дополнительного фазового сдвига в сигнал гетеродина, а следовательно и в выходной сигнал соответствующего смесителя. Предполагается, что паразитные фазовые сдвиги и присущи только нижнему (по схеме) тракту, что не имеет принципиального значения. Схема компенсации аналогична схеме слежения за фазой сигнала, чувствительным элементом которой является фазовый детектор ФД угломерного канала. Особенность устройства коррекции заключается в том, что оно работает в специально выделяемом для этого интервале времени в конце периода повторения зондирующих импульсов , когда не ожидается прием отраженных сигналов, т.е. за пределами , где - максимальная дальность цели. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете периода повторения импульсов.

Момент включения устройства коррекции определяется управляющим сигналом УС-1, поступающим с ЭВМ РЛ (см. рис. 1.3 и рис. 1.5). По этому сигналу включается генератор пилот-сигнала ГПС и коммутатор К разрывает цепь обратной связи от ФД к УУДН. Пилот-сигнал несущей частоты через делители мощности подается на выходы модулей ФАР, заменяя сигналы этих модулей. При этом коррекции подвергаются все фазовые неидентичности от точки включения пилот-сигнала до входа ФД. Возможно также использование специального излучателя пилот-сигнала, установленного перед ФАР по оси симметрии антенны (на равнофазном направлении).

В режиме коррекции сигнал на выходе ФД будет

.

Этот сигнал после аналого-цифрового преобразователя АЦП подается на цифровой интегратор ЦИ, выполняющий функцию устройства, запоминающего значение сигнала ошибки на время, равное периоду повторения зондирующих импульсов. Ввод корректирующего фазового сдвига производится с помощью преобразователя цифра-фаза ПЦФ. Использование цифровой техники при коррекции фазы приводит к тому, что в общем случае не удается свести к нулю аппаратурную погрешность. Остаточная аппаратурная погрешность зависит от дискрета регулировки фазы в ПЦФ и увеличивается с ростом этого дискрета. На современном уровне техники минимальное значение не превосходит (1, 5...3)°.

Устранить дискретность вводимого в сигнал гетеродина фазового сдвига можно при переходе к аналоговой схеме устройства коррекции. При этом сразу за фазовым детектором ФД включается коммутатор, который направляет сигнал ошибки с ФД либо на схему коррекции, либо на АЦП, который требуется для управления ДНА. Однако в таком устройстве коррекции требуется учет особенностей, свойственных аналоговым схемам.

При проектировании цифрового устройства коррекции необходимо обеспечить такое быстродействие элементов этого устройства, при котором время коррекции не превышает 0, 1 от периода повторения зондирующих импульсов. Полученное в конце данного периода повторения значение корректирующего фазового сдвига используется на следующем периоде повторения и сохраняется в цифровом интеграторе ЦИ.

Введение коррекции не является единственным средством снижения аппаратурных погрешностей. Возможно также применение методов, основанных на объединении приемных трактов. Следует только иметь в виду, что при любом методе, как правило, остается некоторая аппаратурная погрешность, вызываемая несовершенством либо используемого метода, либо устройств его реализующих. Остаточное значение аппаратурной погрешности следует учитывать при оценке точности угломерного канала.