Рассмотренные выше РЛС с непрерывным излучением представляют собой в каком-то смысле чисто доплеровские, или когерентные РЛС. Несколько по-иному решается задача когерентного накопления в импульсных РЛС.
В импульсных РЛС каждый из импульсов сигнала на входе приемника РЛС характеризуется несущей частотой, начальной фазой, формой и амплитудой, временем прихода на вход приемника.
В общем случае когерентной пачкой импульсов называется такая последовательность импульсов, у которой зависимость между указанными параметрами известна.
Полагая амплитудные флюктуации пачки медленными, можно считать, что форма огибающей пачки и отдельных ее импульсов известны. Кроме того, известна частота повторения и несущая частота зондирующих импульсов. Что касается временнόго положения пачки (время запаздывания импульсов) и изменения частоты из-за движения цели, то они являются объектом измерения и в принципе могут быть определены. Остается открытым вопрос об еще одном важным параметре радиоимпульсов – соотношении начальных фаз колебаний отдельных импульсов пачки. Характер этих соотношений (случайный или неслучайный) определяет когерентность пачки импульсов.
Пусть огибающая одиночного импульса, расположенного вблизи точки t = 0, описывается функцией . Соответствующий радиоимпульс описывается функцией , где – несущая частота. Такой же импульс, смещенный на период повторения , записывается как . Рассмотрим теперь пачку из N радиоимпульсов. Пусть их амплитуда медленно изменяется от импульса к импульсу по закону . Пусть фаза также медленно изменяется от импульса к импульсу по закону и, кроме того, каждый й импульс получает дополнительное изменение фазы на величину . На основании сказанного пачка радиоимпульсов аналитически может быть представлена в виде следующей суммы:
. 11.1
Функция характеризует, например, закономерное изменение фазы вследствие движения цели с постоянной скоростью.
| Рис. 11.5. Некогерентные радиоимпульсы а – временная диаграмма; б – случайное изменение начальной фазы |
На рис. 11.5 отображена временнáя диаграмма последовательности прямоугольных радиоимпульсов и распределения их случайной начальной фазы (точки на рис. 11.5,б). Такие импульсы могут быть “вырезаны” из определенного числа некогерентных непрерывных колебаний с помощью ключевого устройства, имеющего идеальную прямоугольную характеристику.
Последовательность некогерентных радиоимпульсов не является периодическими, а представляют собой ряд независимых друг от друга импульсов. Поэтому при наложении спектральных составляющих этих импульсов их сложение происходит со случайными фазами так, что результирующий спектр некогерентной последовательности не отличается от спектра одиночных радиоимпульсов, являющегося сплошным.
Даже в случае отсутствия случайного изменения фазы от импульса к импульсу в зондирующем сигнале отраженный сигнал может оказаться некогерентной пачкой из-за случайных изменений фазы, возникающих при отражении от цели.
Когерентной пачкой импульсовназывается такая пачка, в которой отсутствуютслучайные изменения фазы от импульса к импульсу. При этом в выражении (11.1) требуется равенство всех значении (если даже величина является случайной).
Рассмотрим для простоты последовательность зондирующих радиоимпульсов ( ), у которых , , . Тогда выражение (11.1) заменится следующим:
,
где – периодическая последовательность видеоимпульсов.
Когерентные импульсы могут быть сформированы в устройстве, состоящем из генератора гармонических колебаний частоты и ключа, управляемого модулятором (рис. 11.6,а). Полученные таким образом импульсы усиливаются, например, с помощью усилительного клистрона, и поступают в антенну. Последовательность когерентных радиоимпульсов (рис. 11.6,б) представляет собой произведение периодической последовательности видеоимпульсов единичной амплитуды на гармоническое колебание , т. е. когерентные импульсы являются как бы “вырезанными” из синусоиды через равные интервалы .
| а) |
| К усилителю мощности |
| Генератор |
| Модулятор |
| Ключ |
| Рис. 11.6. Формирование когерентных радиоимпульсов путем “вырезания” из синусоидального а) – структурная схема; б) – временные диаграммы |
| а) |
,
где амплитуды гармоник (для прямоугольных импульсов) равны:
.
Соответственно после разложения произведения косинусов получим:
,
т. е. дискретные спектральные линии соответствуют частотам .
В ряде случаев к когерентной последовательности импульсов предъявляется еще одно условие – сохранение одинаковой начальной фазы у всех импульсов. Для этого необходимо, чтобы , где – целое (и обычно весьма большое) число. Легко видеть, что и в этом случае спектр описывается тем же рядом Фурье, но все гармонические составляющие, как и несущая частота , сохраняют кратность частоты повторения .
В случае конечного числа импульсов в пачке происходит расширение спектральных линий на величину, обратную длительности всей пачки, т. е. .
Нарушение когерентности, вызывает дополнительное «размытие» спектральных линий сверх величины, определяемой длительности пачки, как уже говорилось, не отличается от спектра одиночного импульса. Таким образом, степень расширения спектральной линии сверх величины, определяемой шириной пачки, может служить мерой когерентности.
Когерентно-импульсный режим работы РЛС обычно выбирается в станциях обнаружения и целеуказания. Зондирующий сигнал в таких РЛС представляет собой пачки радиоимпульсов с периодом следования , выбранным из условия обеспечения однозначного измерения дальности до цели, т. е. задержка сигналов, отраженных от цели, не должна превышать период повторения работы РЛС. При этом частота повторения , как правило, меньше наивысшей возможной частоты Доплера.
На рис 11.7 приведена структурная схема когерентно-импульсной РЛС. Она включает радиопередающее устройство, общую антенну на прием и передачу, и измеритель координат (индикатор).
Для обеспечения когерентной обработки сигнала необходимо подать когерентное опорное напряжение на фазовый детектор (ФД) приемника. Использование колебания передатчика в качестве опорного не представляется возможным, поскольку режим работы импульсный, и в момент приема сигнала колебание передатчика отсутствует. Для создания когерентного опорного колебания используют специальный когерентный гетеродин (КГ). Чтобы колебания КГ были когерентны колебаниям приходящего сигнала, необходимо, чтобы случайная начальная фаза его колебаний соответствовала случайной начальной фазе принимаемого сигнала, тогда на ФД они скомпенсируются. Для осуществления этого колебание КГ фазируют в каждом периоде повторения работы РЛС либо импульсом передатчика, либо помехой, приходящей с той же дальности, что и обнаруживаемый сигнал.
РЛС, в которых фазирование КГ осуществляется колебанием передатчика, называются РЛС с внутренней когерентностью, а РЛС в которых фазирование КГ производят пассивной помехой, называют РЛС с внешней когерентностью. На рис. 11.7 приведена структурная схема с внутренней когерентностью.
| Генератор |
| Схема фазирования |
| Приемное устройство |
| Модулятор |
| Синхронизатор |
| Передатчик |
| СМ - 1 |
| УПЧ 1 |
| КГ |
| МГ |
| УПЧ 2 |
| ФД |
| СМ - 2 |
| См |
| УПЧ |
| РФ |
| См |
| Кварцевый генератор |
| Индикатор |
| АП |
| Рис 11.7. Структурная схема когерентно - импульсной РЛС |
Радиоприемное устройство представляет собой схему, состоящую из квазисогласованного фильтра для одиночного импульса пачки, фазового детектора (ФД), режекторного фильтра (РФ). В качестве накопительного гребенчатого фильтра используют в этих случаях люминофор экрана ЭЛТ, если выходным устройством служит индикатор или цифровой накопитель, если выходным устройством является ЭВМ (микропроцессор).
Каждый период повторения работы РЛС когерентный гетеродин фазируется колебанием передатчика. Для получения большой стабильности частоты гетеродина его частоту выбирают равной промежуточной частоте радиоприемника, и фазирование осуществляют на промежуточной частоте. Поэтому частоту колебания передатчика понижают до промежуточной частоты с помощью местного гетеродина (МГ) приемника.
Так как согласованный и режекторный фильтры – линейные устройства, то порядок их включения в схеме приемника безразличен, поэтому обычно сигнал обрабатывается сначала в РФ, а затем поступает на СФ для накопления. В качестве режекторных фильтров используются фильтры череспериодной компенсации (ЧПК).
Работа такого фильтра состоит в следующем: с выхода ФД пачка импульсов, модулированная по амплитуде колебанием с частотой биений, определяемой разностью фаз сигнала и опорного напряжения, поступает на ЛЗ, где задерживается на . В следующий период работы РЛС второй импульс пачки, поступающий непосредственно на вычитающее устройство, и первый, прошедший через линию задержки, сравниваются по амплитуде в вычитающем устройстве, на выходе которого разность не равна нулю лишь в случае, когда импульсная последовательность модулирована по амплитуде.
Если источник пассивной помехи неподвижен, то . Тогда доплеровское смещение частоты равно нулю, пачка импульсов помехи будет иметь прямоугольную огибающую, и разность после вычитания будет равна нулю. В противном случае появится нескомпенсированный остаток
.
Передаточная функция ЧПК .
При .
Модуль является амплитудно-частотной характеристикой фильтра ЧПК (рис 11.8,а). Если подвести спектральные линии помехи под нули амплитудно-частотной характеристики фильтра, то тем самым можно осуществить подавление помехи. Поскольку провалы амплитудно-частотной характеристики имеют острую форму, а спектральные линии помехи размытые и имеют гауссову форму, полного подавления не произойдет. Останутся нескомпенсированные остатки помех. Для расширения областей подавления помехи применяют двукратное вычитание. Амплитудно-частотная характеристика фильтра, состоящая из двух ступней череспериодной компенсации, дана на рис. 10.8 ,б. Схема фильтра представляет соединение двух схем однократной ЧПК.
При этом первая схема компенсации дает разность
,
а вторая
.
| Рис. 11.8. Амплитудно-частотная характеристика фильтра ЧПК |
Сигнал, отраженный от цели, также будет частично компенсироваться в фильтре ЧПК, что обуславливает потери в отношении сигнал-шум. Значение сигнала на выходе фильтра ЧПК (результат вычитания) зависит также от радиальной скорости цели и будет пропорционально при однократном вычитании , а при двукратном .
Эта зависимость носит название амплитудно-скоростной характеристики. На рис. 11.9 приведена амплитудно-скоростная характеристика для однократного вычисления. Из рисунка видно, что при , где сигнал равен нулю, и цель теряется.
| Рис. 10.9 Амплитудно- скоростная характеристика |
Ввиду больших потерь в преобразователях необходимы усилители до линии задержки и после нее, коэффициент усиления которых примерно равен 50 – 70 дБ. При двукратном вычитании блок усилителей представляет собой сложное устройство с большим коэффициентом усиления. Поэтому с увеличением числа ступеней ЧПК вес, габариты и сложность фильтров резко возрастает.
Для построения фильтров подавления пассивной помехи используют потенциалоскопы, на которых можно производить задержку и вычитание.
Так же как и в случае, применение линий задержки, в схемах, в которых используется потенциалоскоп, применяют одно – или двукратную компенсацию помехи. По своим характеристикам схемы фильтров на линиях задержки и потенциалоскопах близки. Показателем качества фильтров ЧПК является коэффициент улучшения, который определяется как отношение сигнал/помеха на выходе фильтра к отношению сигнал-помеха на его входе.
Для однократной компенсации
.
Для схемы двукратной компенсации
,
где – стандартное отклонение для линии спектра, определяемое выражениями
Уширение спектра из-за сканирования диаграммы направленности антенны:
– , где – скорость сканирования луча ДН;
– – ширина луча в плоскости сканирования.
Доплеровское смещение частоты пассивной помехи определяется скоростью ветра и собственной скоростью РЛС относительно источника помех. Под действием ветра отклонения
,
где – среднеквадратичная скорость перемещения элементарных отражений.
Однако нестабильности передатчика, местного когерентного гетеродина могут ухудшить показатели фильтров.