книги / Радиолокационные измерители дальности и скорости. [Т.1]
.pdfТаким образом, в ИДРЛС с НЧПИ осуществляется однознач ное измерение дальности до цели, как в обычных импульсных РЛС по задержке отраженного импульса относительно излученно го. Однако измерение доплеровских частот сопряжено с большой неоднозначностью. Можно определить только так называемые ♦наблюдаемые» частоты FflH(рис. 4 .1 .3 ,в), которые не могут быть больше, чем Fn. Например, при Дтах=150 км однозначно измеряе мая доплеровская частота не превышает 1 кГц, что требует при менения специальных алгоритмов раскрытия неоднозначностей измерения при наблюдении высокоскоростных целей.
Импульсно-доплеровские РЛС могут работать в режиме обзо ра, АСЦРО, СОЦ и РНП.
В режиме обзора осуществляется последовательный просмотр однолепестковым лучом антенны всей зоны ответственности РЛС. Измеренные значения Ди и Уи формируются лишь в моменты про хода луча через цель. Экстраполяция координат и параметров движения цели между моментами ее обнаружения не производит ся. В таком режиме не удаётся получить достаточно большого времени накопления сигнала и полученные измерения дальности и скорости характеризуются низкой точностью. Необходимость уст ранения характерных для ВЧПИ и СЧПИ «слепых» зон и неодно значности измерений предопределяет изменение излучаемых сиг налов и использование соответствующих алгоритмов [17].
При АСЦРО, как и в режиме обычного обзора, осуществляется последовательный либо выборочный просмотр всей зоны ответст венности РЛС. Последовательный просмотр зоны обзора, выпол няемый в РЛС с механическим приводом антенны, характеризует так называемый режим сопровождения на проходе (СНП). Выбо рочный просмотр, осуществляемый в РЛС с фазированными ан тенными решётками, используется при так называемом програм мируемом обзоре. Следует подчеркнуть, что при любой разновид ности АСЦРО оценки дальности и скорости формируются для всех сопровождаемых целей. В общем случае АСЦРО включает в себя несколько этапов: формирование первичных измерений Д„ дально сти и Уи скорости; завязку траекторий; их экстраполяцию в про межутках между поступлениями отражённых сигналов; иденти фикацию или отождествление полученных измерений; коррекцию результатов экстраполяции определённой траектории по иденти фицированным измерениям; ранжирование целей по степени их важности (опасности) и сброс траекторий.
Спецификой формирования первичных измерений является необходимость устранения неоднозначности отсчётов дальности и
скорости. Под завязкой траекторий понимается процедура приня тия решения о появлении в зоне обзора РЛС новой цели. Экстра поляция значений Дн и VHв промежутках между поступлениями первичных измерений обычно выполняется либо по гипотезе дви жения с постоянной скоростью, либо по гипотезе движения с по стоянным ускорением. Смысл процедуры идентификации состоит в определении траектории, которой наиболее достоверно соответст вуют полученные измерения Ди и Уи. Для этой траектории по идентифицированным измерениям и выполняется коррекция экст раполированных значений Д, и Уэ, в результате чего формируются оценки Д дальности и V скорости. Ранжирование целей по степе ни их важности состоит в определении объектов, по которым в первую очередь надлежит применять оружие. Один из наиболее употребительных критериев важности цели состоит в определении минимального времени tМИН=Д/У, оставшегося до встречи с нею.
При автоматическом сопровождении одиночной цели луч ан тенны всё время направлен на одну цель. В такой ситуации изме ритель дальности и скорости, входящий в состав ИДРЛС, позволя ет непрерывно получать точную информацию 6 дальности и скоро сти сближения с целью. Эта информация используется для само наведения летательных аппаратов, формирования целеуказаний ракетам и экстраполяции положения цели. Последняя задача ре шается на основе знания оценок составляющих скорости цели. Информация о пространственном положении цели нужна для не которых типов ракет с комбинированными системами управления на этапах автономного и командного наведения [45]. Кроме того, на основе информации о дальности и скорости в ИДРЛС осуществ ляется автоматическая селекция сигналов цели по времени запаз дывания и доплеровской частоте. В силу важности последней за дачи указанные измерители часто называют автоселекторами дальности и скорости. В результате автоматической селекции в каналы формирования оценок дальности и скорости поступает сигнал только от одной цели. Следствием этого является повыше ние точности оценивания на 1 ,. 2 порядка по сравнению с измери телями, в которых оценивание осуществляется без предваритель ной селекции [34]. Суть селекции по дальности состоит в отпира нии приёмника БРЛС (РГС) только на время прихода сигнала, от ражённого от нужной цели. Селекция по скорости состоит в узко полосной фильтрации отражённых сигналов, при которой узкопо лосный фильтр настроен на доплеровскую частоту, обусловленную скоростью сближения с селектируемой целью.
Полуактивные доплеровские РЛС, как правило, работают в режиме сопровождения одиночной цели, качественно идентичном режиму СОЦ в ИДРЛС. Отличием является только то, что в каче стве первичных измерений используются значения скорости Уи, получаемые на основе анализа доплеровской частоты. В связи с этим в таких системах формируются только оценки скорости сближения и её производных.
Таким образом, для получения оценок дальности и скорости, поступающих к потребителям информации, в доплеровских РЛС прежде всего осуществляется обнаружение цели с учетом устране ния слепых зон по дальности и скорости и формирование первич ных измерений дальности Ди и скорости Уи с учетом устранения соответствующих неоднозначностей. Однако в различных режимах работы РЛС первичные измерения играют различную роль. Если в режиме ОБЗОР они являются единственными источниками ин формации о дальности и скорости, то при АСЦРО и СОЦ первич ные измерения используются в качестве начальных условий и для вычисления ошибок сопровождения
ДД=ДИ-ДЭ, AV=V„-Va, |
(4.1.4) |
в алгоритмах фильтрации, где формируются более точные, чем Ди и V„ значения оценок дальности Д, скорости V и их производ ных. Следует отметить, что формирование оценок Д и V может выполняться по различным алгоритмам: оптимального линейного (1.4.3И1.4.6), (1.4.19Н1-4.23) и нелинейного (1.5.2), (1.5.3) оце нивания; а-р- (1.4.29) либо а-р-у-фильтрации (3.6.33), либо с по мощью аналоговых следящих систем с астатизмом первого и вто рого порядка [50]. Весьма перспективными являются алгоритмы формирования оценок дальности и скорости и их производных в многоконтурных следящих системах, синтезированных на основе алгоритмов СТОУ (1.10.12)-(1.10.14), (1.10.16М1.10.19) и (1.12 .6), (1.12.7).
При использовании импульсного зондирующего сигнала фор мирование первичных измерений выполняется в два этапа. На первом - определяются значения времени запаздывания и допле ровской частоты сигнала цели. При этом в режиме ВЧПИ допле ровская частота измеряется однозначно, а время запаздывания не однозначно. В режиме СЧПИ оба параметра измеряются неодно значно. При использовании сигналов с НЧПИ время запаздывания определяется однозначно, в то время как доплеровская частота - неоднозначно. Использование непрерывного (прерывистого) СПЦ
обеспечивает только однозначное измерение доплеровской частоты. На втором этане путем использования специальных процедур уст ранения неоднозначности формируются измерения дальности Ди и скорости Уи.
Для получения однозначных отсчётов Ди и Уи могут быть ис пользованы различные приёмы. Наиболее употребительные из них, связанные с использованием линейной частотной модуляции зондирующего сигнала, переменной частоты повторения, нониусного способа и различных вариантов их комбинаций будут рас смотрены ниже.
4.2.ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОСТИ
ИСКОРОСТИ В ИДРЛС
4.2.1. У с тр а н е н и е « с л е п ы х » з о н п р и о б н а р у ж е н и и ц ел и
Для устранения «слепых» зон в ИДРЛС используется метод изменения частоты повторения зондирующих импульсов Fn от пачки к пачке, который основан на том, что скорость движения луча ДН при сканировании обеспечивает прием нескольких пачек (от 4 до 8) зондирующих импульсов, отраженных от цели в тече нии времени ее облучения. Следовательно запас времени позволяет облучить цель пачками с различной Fn. Частота повторения им пульсов в пачках выбирается таким образом, чтобы «слепые» зоны присущие одной пачке, были свободными для другой.
В режиме ВЧПИ изменение Fn приводит к смещению «сле пых» зон по дальности вследствие изменения моментов времени, в течении которых излучаются зондирующие импульсы (рис. 4.2.1).
Рис. 4.2.1.
Необходимое для устранения «слепых» зон количество частот повторения зависит от скважности зондирующих сигналов и от требуемого участка дальности, свободного от «слепых» зон. Как правило для устранения всех «слепых» зон достаточно 3-5 пачек с различным значением Fn. В режиме СЧПИ количество частот по вторения больше (5-8), что обусловлено необходимостью устране ния «слепых» зон не только по дальности, но и по скорости (частоте). Механизм устранения последних основан на том, что ес ли истинная доплеровская частота цели Fw >Fn, а наблюдаемая частота Рдн такова, что сигнал цели попадает в область спектра, соответствующую отражениям по главному лучу ДН (рис. 4.2.2), то при изменении частоты повторения изменяется наблюдаемая доплеровская частота и цель выходит из «слепой» зоны.
Положение зоны фильтрации па частотной оси также изменя ется при смене частот повторения, обеспечивая тем самым обна ружение целей вне зоны отражений от земли по главному лучу ДН. Однако, если цель попавшая в «слепую» зону является мало скоростной, то есть Ffl4<Fn, то она не выходит из «слепой» зоны при изменении частоты повторения. Следует отметить, что для устранения «слепых» зон по скорости требуется изменение Fn в относительно широких пределах (например в диапазоне 20-40 кГц), а для обнаружения цели она должна одновременно нахо диться и в свободной зоне по дальности, и в свободной зоне по скорости.
4.2.2. И зм е ре н и е д о п л е ро в с к о й ч а с т о т ы и в ре м е н и зад е рж к и
СИГНАЛА ЦЕЛИ
Формирование первичных измерений дальности Да и скорости VH обнаруженной цели основано на возможности инструменталь ного контроля времени задержки отражённых сигналов и допле ровского сдвига частоты в устройстве обработки сигналов. Опти мальным устройством обработки радиолокационных сигналов яв ляются или согласованные фильтры или корреляционные прием ники [17]. Для когерентной пачки импульсов, применяемой в ИДРЛС, используются корреляционные устройства с последова тельным выполнением операции согласования опорного сигнала с сигналом, отраженным от цели в два этапа. На первом этапе вы полняется согласование во временной области путем стробирова ния принимаемого сигнала по дальности, а на втором этапе - со гласование по доплеровским частотам путем узкополосной фильт рации в наборе доплеровских фильтров. Каждый фильтр настроен на определенное значение доплеровской частоты. Эти фильтры выполняют роль интеграторов в корреляционном устройстве. По лоса каждого фильтра Д£ф выбирается в соответствии с временем txn когерентной обработки (временем когерентного накопления) по правилу Af(j,=l/tKH. В современных РЛС она составляет величину от десятков до сотен Гц.
Упрощенная схема оптимального корреляционного устройства обработки радиолокационных сигналов в типовых ИДРЛС приве дена на рис. 4.2.3. Первый этап обработки сигналов реализуется
Рис. 4.2.3.
набором селекторов дальности (СД), на которые в течении каждого периода повторения поступают стробирующие импульсы от уст ройства формирования стробов, связанным с синхронизатором РЛС. Второй этап обработки реализуется в каждом канале дально сти набором доплеровских фильтров (Ф), за которыми следуют ам плитудные детекторы (АД) и пороговые устройства (ПУ). При пре вышении уровня порога сигналом с выхода доплеровского фильтра цель считается обнаруженной и в запоминающем устройстве ЦВМ ей присваивается номер строба дальности, в который попадает сигнал цели (соответствует «наблюдаемой» задержке отраженного сигнала), и номер «звенящего» доплеровского фильтра (соответст вует «наблюдаемой» доплеровской частоте сигнала). Используя эти данные ЦВМ формирует первичные измерения дальности и скоро сти цели с учетом устранения соответствующих неоднозначностей измерения времени задержки и доплеровской частоты сигнала.
В зависимости от режима работы и частоты повторения им пульсов количество стробирующих каскадов и доплеровских фильтров может быть различным. Так при ВЧПИ применяется один или два канала стробирования по дальности, потому что зона однозначности по дальности не превышает протяженности 2-3 стробирующих импульсов, но имеется большое количество допле ровских фильтров, перекрывающих весь возможный диапазон из менения доплеровских частот принимаемых сигналов. При СЧПИ количество каналов селекции по дальности увеличивается и обыч но соответствует скважности сигнала. Количество доплеровских фильтров в этом режиме меньше, так как зона однозначности по доплеровским частотам не может быть больше частоты повторения импульсов.
Измерение доплеровской частоты отражённого от цели сигнала производится совокупностью доплеровских фильтров расстроенных относительно друг друга на частоту Af<Af,j, (рис. 4.2.4). Частота настройки i-ro фильтра где ia$ - частота начала зо ны фильтрации относительно ближайшей спектральной линии из лученного сигнала. Значение зависящее от условий примене ния РЛС, режима работы и частоты повторения, обеспечивает размещение АЧХ фильтров при ВЧПИ в зоне свободной от ме шающих отражений от земли (рис. 4.2.4), а при СЧПИ - между двумя зонами отражений по главному лучу ДН (рис. 4.2.2).
Доплеровская частота сигнала цели (однозначная в режиме ВЧПИ и неоднозначная - наблюдаемая в режиме СЧПИ) опреде ляется по частоте настройки доплеровского фильтра, в котором произошло обнаружение цели. Однако в зависимости от ширины и
степени перекрытия АЧХ фильтров порог обнаружения может од новременно превышаться в двух или даже трёх соседних допле ровских фильтрах. Информация о числе одновременно «звеня щих» фильтров используется для определения помеховой ситуа ции. Если это число не превышает порогового значения (например 3), то вычисляется либо среднее значение доплеровской частоты настройки «звенящих» фильтров либо центр тяжести спектра от раженного сигнала.
Если спектральная составляющая сигнала цели расположена так, что наблюдаются отсчёты в нескольких фильтрах, то оценка центра тяжести (первого момента) спектра отраженного сигнала позволяет получить более точное значение доплеровской частоты. Однако этот метод требует измерения амплитуды сигнала цели в фильтрах. На рис. 4.2.5 в качестве примера показано, что в трех со седних фильтрах с номерами (i-1 ), i, (i+1 ) получены отсчётные значения амплитуд Ui спектральных составляющих сигнала цели.
Из рис. 4.2.5 видно, что ни одно из значений отсчётов U^, U,, Ui+ 1 не соответствует центральной доплеровской частоте цели *дц* Следовательно, имеется погрешность отсчета доплеровской часто ты, обусловленная дискретностью настройки доплеровских фильт ров. В качестве оценки доплеровской частоты в этом случае нахо дится первый центральный момент - среднее значение (централь ная частота uq(f))
(4.2.1)
Рис. 4.2.5.
или в развернутом виде:
Аср “ |
(4.2.2) |
|
Uf-i+Uf+ Uf+1 |
Точность оценки доплеровской частоты цели этим методом при мерно в 2...3 раза выше, чем оценка по номеру фильтра, (то есть от 1/5 до 1/10 от дискретного значения рссстройки доплеровских фильтров Afe fj-fi_i). Потенциальная точность характеризуется дисперсией ошибки измерения частоты радиолокационного сигна ла
Df=(5f/q)2, |
(4.2.3) |
где 8Г=АТф - разрешающая способность по частоте; q - |
отношение |
энергии сигнала к спектральной плотности шума, именуемое в дальнейшем отношением сигнал/шум.
Если измерение амплитуды отраженного сигнала в фильтрах не производится, то считается, что в фильтрах, в которых превы шен порог, Ui=l, а в остальных фильтрах и*=0. Тогда выражение (4.2.2) переходит в выражение оценки средней частоты настройки «звенящих фильтров». Например, при превышении сигналом цели порога в фильтрах с номерами i и i+1 получим fcp**=(fi+fi+ 1)/2. В общем случае
i+n3 /
fcp= и / п , , |
(4.2.4) |
где i - номер первого фильтра, в котором произошло обнаружение цели; п3 - число подряд «звенящих» фильтров. Точность измере ния увеличивается при увеличении степени перекрытия фильтров.
Измерение времени задержки отраженного сигнала произво дится с помощью совокупности временных стробов, разнесённых во времени с определённым сдвигом. О попадании отраженного сигнала в какой-либо строб свидетельствует превышение порога в фильтрах, соответствующих данному каналу стробирования по дальности (рис. 4.2.3). Для уменьшения потерь при обнаружении цели из-за дробления отражённого сигнала стробы могут устанав ливаться с перекрытием.
На рис. 4.2.6 представлено положение отражённого от цели импульса хЮ£П относительно трёх неперекрывающихся стробов
^стр!» ^стр2* Тстр3*
Наблюдаемая при ВЧПИ и СЧПИ задержка отраженного сиг нала соответствует временной задержке т„ середины принятого импульса тимп относительно начала излучаемого. Для определения тя используются временные задержки хх, т2, т3 середин временных стробов Тстрх, ^стР2>Тстрз относительно начала излучаемого импуль са тизл. Так как разрешение по дальности определяется длительно стью зондирующего импульса, то стробирующие импульсы имеют ту же (или большую) длительность, что и излученный импульс. Поэтому отраженный импульс может попадать в один или два строба. При попадании сигнала в один строб в качестве тн, прини мается задержка середины соответствующего строба. При превы шении сигналом порога в двух соседних стробах оценка тн произ водится по формулам, аналогичным формулам (4.2.2), (4.2.4) из мерения доплеровского сдвига частоты. Например, если отражен