Когерентные доплеровские РЛС с непрерывным излучением

Возвращаясь к главе 2, в частности, к рис 2.8, можно еще раз констатировать, что в общем, отраженном от объекта сложной формы, сигнале существенной может быть когерентная составляющая. Это наблюдается в случае наличия у объекта ярко выраженной доминанты в отраженном сигнале. Поэтому целесообразно в ряде случаев при разработке и выборе РЛС ориентироваться на обнаружение именно этой составляющей.

Слово «когерентность» происходит от латинского слова cohаerens, (находящийся в связи,связанный с другим по какому-то признаку).

Понятие когерентности колебаний связано со следующими рассуждениями: пусть рассматриваются два колебания с одинаковой частотой , но с различными начальными фазами:

Фазы могут быть как случайными, так и неслучайными.

Квадрат амплитуды (мощность) результирующего колебания при их сложении будет определяться из соотношения:

где – разность фаз колебаний.

Рассмотрим два крайних случая:

1. Фазы колебаний случайны и независимы, разность фаз распределена равномерно в интервале , и с математическим ожиданием равным 0. В этом случае среднее значение квадрата суммарной амплитуды двух колебаний будет равно:

Такой случай принято называть случаем некогерентного сложения.

2. Второй крайний случай – когерентное сложение. Когерентными в течение определенного времени считаются колебания, разность фаз которых в течение времени наблюдения не изменяются. При более «мягком» определении когерентности на разность фаз накладывается ограничение изменения по известному закону. В результате сложения когерентных колебаний в пространстве возникает интерференция волн. В этом случае средний квадрат амплитуды суммарного колебания (средняя мощность суммарного сигнала) будет:

Рис. 11.1 Образование доплеровской частоты биений в когерентных РЛС.

где – кратковременная функция взаимной корреляции – характеризует степень когерентности колебаний. Для когерентных колебаний .

Важным в когерентных РЛС является выделение доплеровской частоты биений. Механизм образования биений доплеровской частоты при сложении когерентных сигналов – прямого и отраженного от цели – приведен на рис. 11.1

Из векторного треугльника очевидно, что

где – фазовый сдвиг между прямым и обратным (отраженным) сигналами.

Обычно амплитуда отраженного сигнала мала по сравнению с прямым сигналом, поэтому приближенно, с учетом формул приближенного вычисления квадратного корня, можно записать:

где D – текущая дистанция до цели.

При движении цели происходит непрерывное изменение результирующей амплитуды с доплеровской частотой

при этом конец результирующего вектора перемещается по окружности. В результате можно записать:

здесь – медленно меняющаяся функция времени, строго говоря, сигнал оказывается частотно промодулированным. Поэтому в результате частотного детектирования получим колебания доплеровской частоты, что важно в ряде РЛС для выделения движущихся целей или измерения радиальной скорости объектов.

Исходя из проведенного выше анализа, структурно доплеровская РЛС с непрерывным излучением будет выглядеть так (рис. 11.2).

Генератор непрерывных колебаний

Развязывающее устройство

Смеситель

УДЧ

Индикатор

Антенна

Рис. 11.2. Структурная схема простейшей доплеровской РЛС

Назначение элементов схемы абсолютно ясны: генератор непрерывных колебаний генерирует непрерывный сигнал, который через развязывающее устройство излучается в пространство. Часть прямого (излучаемого) сигнала поступает на смеситель приемника. Отраженный от цели сигнал через развязывающее устройство поступает на смеситель, где происходит их смешение. Усилитель доплеровской частоты выделяет низкочастотные колебания доплеровской частоты, усиливает их и подает на индикаторное устройство. Доплеровский фильтр должен быть настроен так, чтобы, с одной стороны, выделять весь возможный спектр доплеровских частот, а с другой стороны, отсекать неподвижные цели, то есть, цели, имеющие нулевой доплер. Показанный на рис. 11.2 приемник можно рассматривать как супергетеродинный приемник с нулевой промежуточной частотой. Здесь роль гетеродина выполняет прямой, просачивающийся с передатчика сигнал. Однако чувствительность такого приемника низка, уровень шумов достаточно высокий, что зачастую не удовлетворяет ни разработчиков, ни потребителей. На рис. 11.3 приведен более сложный приемник, в котором частично устранены перечисленные недостатки.

Генератор f_пч

Смеситель 1 детектор

Генератор непрерывных колебаний

Фильтр боковой полосы

УПЧ

Смеситель 2 детектор

УДЧ

Индикатор

Антенна

Смеситель

Рис. 11.3. Структурная схема доплеровской РЛС с нулевой промежуточной частотой

Сигнал генератора излучается в пространство и одновременно подается на смеситель. На этот же смеситель поступают высокостабильные колебания с гетеродина. Фильтр боковой полосы отфильтровывает сигнал частоты, равной . Эти колебания поступают на вход смесителя первого детектора, где смешиваются с принятым сигналом. С выхода этого смесителя сигнал частотой поступает на смеситель 2 детектор. На выходе этого детектора выделяется частота биений, равная доплеровской частоте. Это сигнал и поступает на индикаторное устройство. Эта схема не является окончательной, возможны варианты. Например, вместо второго смесителя можно просто применить частотный детектор, настроенный на частоту, равную промежуточной.

Зачастую, кроме задачи обнаружения ставится и задача разрешения различных целей, имеющих различные радиальные скорости. В этом случае ставится задача спектрального анализа. Принимаемого сигнала. Возможны два варианта решения этой задачи: последовательный спектральный анализ, когда анализ производится с помощью одного, перестраиваемого фильтра. Время действия полезного сигнала на такой фильтр гораздо меньше, чем его общая длительность, что равносильно потерям полезного сигнала. Второй вариант – параллельный анализ. Параллельный спектральный анализ обычно осуществляется с помощью системы, состоящей из набора фильтров, где – общая полоса ожидаемых доплеровских частот, – полоса пропускания фильтров.

Для определения требуемой полосы пропускания такого фильтра исходят из следующих соображений:

– задается конечный отрезок времени , в течение которого частота под влиянием эффекта Доплера изменяется. Он должен быть не менее, чем время нарастания переходных процессов в фильтре, т.е. , откуда , где а_р– максимальное допустимое ускорение цели; – длина волны РЛС;

– определяется потенциальная разрешающая способность по скорости: .

УПЧ

Фильтр -п

Фильтр -1

Фильтр -0

Фильтр -1

Фильтр +п

Индикатор

Рис. 10.4. Пример построения «гребенки» фильтров Доплера

Реализация гребенки фильтров возможна как на дискретных элементах, так и цифровые фильтры. Если конструктивно задача фильтрации решается на промежуточной частоте, то скоростных фильтров должно быть в 2 раза больше (на сближение и удаление). Пример подобного построения показан на рис. 11.4.

Рассмотренные выше схемные решения при построении доплеровских РЛС применяются при разработке дистанционных скоростемеров, обнаружителей движущихся объектов на фоне подстилающей поверхности и при решении ряда других, специфических, задач радиолокационными методами. Более детально эта задача рассматривается в главе 12.