Хомяков Толкалин 12_end_3

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

значение тока, так и электрический шум. Причем шум сильно зависит от температуры среды, поэтому называется «тепловым электрическим шумом» или просто «тепловым шумом». Шумы занимают огромную часть спектра, в том числе и на несущей частоте. Мощность шума постоянно излучается в пространство антенной, как и полезный сигнал. Шумы «пролезают» в приемный канал через антенну и пространство и смешиваются с тепловыми шумами самого приемника. Это так называемая «накачка» шумов передатчика в приемник.

Для повышения дальности действия РЛС непрерывного излучения приходится повышать мощность передатчика. При этом повышается и мощность шумов накачки. До тех пор, пока шумы накачки ниже шумов приемника, повышение мощности передатчика дает увеличение дальности действия станции. Потом уже повышать мощность не имеет смысла, так как уровень шумов накачки начинает превышать собственные шумы приемника, снижая его чувствительность. Увеличения дальности действия не происходит.

Для РЛС большой дальности действия радиоимпульсный зондирующий сигнал предпочтительнее, так как в моменты приема отраженных сигналов передатчик «молчит» и не накачивает собственные шумы в приемник.

Бороться с накачкой шумов не просто. Они попадают и через пр о- странство. Конечно пути повышения дальности действия станций непрерывного излучения существуют. Например разработка малошумя-

щих генераторов ВЧ и СВЧ, применение двух антенн с минимальным уровнем боковых лепестков, совершенствование методов борьбы с накачкой шумов, использование более сложных, квазинепрерывных зондирующих сигналов и др. Как использовать достоинства радаров непрерывного излучения и как бороться с недостатками будет описано в основных разделах пособия.

21

Введение

Выводы по введению:

1.Априорные сведения о областях применения гармонических зондирующих сигналов позволяют настроить читателя на подробное изучение его свойств.

2.Примеры РЛС непрерывного излучения показывают о довольно широком применении зондирующих сигналов рассматриваемого типа.

3.Декларируемые во введении достоинства и недостатки непре-

рывного гармонического сигнала требуют подробного анализа.

Контрольные вопросы по введению:

1.Назовите основные достоинства непрерывного излучения гармонического сигнала.

2.Назовите основные недостатки непрерывного излучения гармо-

нического сигнала.

3.Объясните, чем обеспечиваются основные достоинства радаров рассматриваемого класса?

4.Поясните, чем объясняются основные недостатки радаров рассматриваемого класса?

5.Каковы пути снижения недостатков?

22

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

I.Сигналы РЛС непрерывного излучения

1.1.Моделирование сигналов

1.1.1. Принцип действия радара

Структурная схема простейшей РЛС показана на рис. 1.1. С генератора СВЧ непрерывный гармонический зондирующий сигнал частотой f через переключатель прием/передача (ППП, циркулятор) направляется в антенну.

Рис. 1.1. Принцип действия простой одноантенной РЛС

Из антенны сформировавшиеся радиоволны летят со скоростью света С в пределах диаграммы направленности антенны и достигают цели. От цели образуется вторичное излучение, и часть его распространяется к антенне РЛС и принимается (в быту сигнал называют «отраженным»).

Мощность его зависит от ряда параметров, в том числе и от способно -

23

Сигналы РЛС непрерывного излучения

сти «перехватывать» СВЧ зондирующий сигнал и переизлучать его в пространство. Эта способность называется эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) цели sц.

Отраженный СВЧ сигнал fo дополнительно к f приобретает доплеровскую частоту Fд: fo= f Fдд Он через устройство ППП поступает на вход балансного СВЧ фазового детектора (СВЧ ФД). Через ответвитель «отв» к его второму входу подключается часть мощности от СВЧ генератора. На выходе от цели образуются слабые (10-200 мкВ) сигналы доплеровской частоты. СВЧ же сигналы не проходят через низкочастотные фильтры. Далее слабые отраженные сигналы частотой Fд уси-

ливаются до необходимых величин напряжений (05-1 В) и подаются потребителю. Если ко второму входу СВЧ ФД подается СВЧ напряжение частотой fмг от отдельного генератора (местного гетеродина), то он работает, как смеситель. На его выходе образуется промежуточная частота fпч =|fмг-f|. Такой приемник называют супергетеродинным. В

нашем случае, когда fмг= f, можно назвать приемником с нулевой промежуточной частотой. С математической точки зрения, результаты работы СВЧ ФД и смесителя приемника нулевой промежуточной частоты, подобны.

Электродинамически стабильные неподвижные местные предметы не дают доплеровских частот. Поэтому от них сигналы имеют нулевую доплеровскую частоту и имеют вид постоянного напряжения.

НЧ фильтры выполняют две роли. Во-первых, не пропускают на усилитель сигналы от местности, местных предметов и других помех такого рода, которые принято называть пассивными помехами. Эти по-

мехи могут быть в сотни раз мощнее полезных сигналов от целей и с ними приходится бороться. Такая процедура называется селекцией движущихся целей (СДЦ). Второе назначение НЧ фильтров – согласо-

24

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

ванная обработка отраженных сигналов, повышающая дальность действия РЛС за счет повышения полезного сигнала относительно шумов.

Обратите внимание на то, что на рис. 1.1 выходной доплеровский сигнал имеет модуляция по амплитуде и содержит шумы. Как уже упоминалось во введении, шумы образуются за счет «дробовых» эффектов носителей зарядов в транзисторах и вакуумных приборах, а так же накачки шумов СВЧ генератора. С первыми видами шумов борются согласованной фильтрацией, со вторыми – точным балансированием фа-

зовых детекторов, повышением степени развязки передающего и приемного каналов.

Положение непрерывного зондирующего синусоидального сигнала на частотной оси теоретически представляет собой вертикальную линию в частотной точке, соответствующей частоте излучения f.

Отраженный от цели СВЧ сигнал приобретает стохастические амплитудную и фазовую модуляции. Они образуется за счет изменения отражающей способности цели в процессе ее движения. Вторичное излучение цели не равномерно в пространстве. Оно имеет полярную

«диаграмму вторичного излучения – ДВИ». Когда цель перемещается и занимает разное пространственное положение относительно линии ви-

зирования РЛС – цель, ее эффективная поверхность рассеяния sц по линии визирования изменяется. Как будет показано далее, изменяется и фаза отраженного сигнала за счет «блуждания» фазового центра отражения по поверхности конструкции. Таким путем спектр отраженного сигнала превращается из тонкой линии в спектральную плотность мощности G(f) [Вт/Гц] эффективной шириной σf [Гц].

После фазового детектирования характер модуляции сохраняется и переносится на доплеровский сигнал, образуя те же спектральные со-

ставляющие G(f) шириной σf относительно средней частоты. При со-

гласованной фильтрации форма и частотная ширина фильтра соответ25

Сигналы РЛС непрерывного излучения

ствует форме и ширине спектра отраженного сигнала. То есть, сигнал проходит фильтр полностью, а широкополосные шумы «обрезаются» по спектральной плотности и попадают на выход фильтра лишь ча-

стично.

1.1.2. Простые зондирующие сигналы

Передающая система генерирует зондирующие сигналы СВЧ и направляет их по фидеру в антенну, как показано на рис.1.1. Зондирующие сигналы могут быть непрерывные или радиоимпульсные. Антен-

на излучает электромагнитные волны в пространство. В рассматриваемых типах РЛС передатчик П, как правило, генерирует детерминированный гармонический сигнал СВЧ бесконечной протяженности. К классу детерминированных сигналов относят такие, которые можно прямо записать аналитически, а их характеристики, например ампли-

туду u(t) точно рассчитать на любой момент времени ti. Примером может служить элементарная запись бесконечного синусоидального сигнала u(t) относительно нулевой временной координаты.

( ) ( ) (1.1)

Сигнал u(t) можно представить и в виде вектора на плоскости. Вектор вращающегося с круговой частотой ω в пространстве и «накручи-

вающего» текущую фазу φ(t)= . Если вращать плоскость вектора в

противоположную сторону, то вектор остановиться, но будет сдвинут в пространстве относительно вертикали на начальную фазу φ (рис.1.1.2).

Вектор можно разложить на ортогональные составляющие. Они так же вращаются в пространстве и могут быть остановлены обратным вращением плоскости. Если представить горизонтальную составляющую, лежащей на мнимой оси j, то в соответствии с формулой Эйлера

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

– где первый сомножитель Um – модуль вектора сигнала, второй сомножитель обозначает разворот вектора на начальную фазу –φ в противоположном направлении, третий – вращение вектора в простран-

стве.

Непрерывный синусоидальный гармонический сигнал имеет определенную напряженность поля в фидере. В модели синусоидальных сигналов рис.1.1 максимальная амплитуда обозначена как Um, а эффективное значение, как Uэф. Волновые сопротивления фидера Rф и антенны Rа согласованы, поэтому для непрерывного гармонического сигнала текущую мощность р(t) или просто мощность передатчика рп можно рассчитать так:

Мощность в антенне зависит от коэффициента полезного действия фидерного тракта ηф.

ра р ра р (1.4)

Как показано в равенствах (1.3), зависимость мощности от времени р(t), для постоянного по амплитуде сигнала, обозначают короче, как рп,

при этом подразумевается, что речь идет о текущей мощности, которая передается в настоящий момент времени. То же обозначение встречается и для других видов зондирующих сигналов. Стоит заметить, что в литературе рп чаще трактуется именно как мощность зондирующего сигнала передатчика в антенне.

Кроме понятия текущей мощности имеет место и понятие энергии зондирующего сигнала, упавшего на цель (рис. 1.2).

Дело в том, что при поиске цели движущаяся в секторе обзора антенна радара своей ДНА проходит цель. При этом на цель направляется

27

Сигналы РЛС непрерывного излучения

общая энергия Эзц, соответствующая текущей мощности излучения и продолжительности контакта с целью.

Аналогично понимается и энергия пакет принятого отраженного

сигнала Эпр за продолжительность Та, если его текущая мощность рпр.

Рис. 1.2. Сигнал при движении антенны

Чтобы обеспечить прямое измерение дальности до цели в одной одноантенной, РЛС применяют другие виды зондирующих сигналов непрерывного излучения, относящихся к классам сложных. Примером может послужить бесконечный периодический синусоидальный сигнал, модулированный по фазе кодовым словом длительностью τкс. Кодовые слова следуют впритык друг к другу через период Тп частотой Fп. Здесь уже уместно ввести такую характеристику, как энергия кодового слова

(кодовой посылки) передатчика Эпкс. Подобную характеристику можно отнести и к принимаемому отраженному сигналу Эпрс

О применении сложных сигналов будет написано в следующем издании учебного пособия.

28

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

1.1.3. Физические процессы формирования отраженных сигналов

Среди интересующих нас целей могут быть те, которые перемещаются, имеют сложную конфигурацию и размеры R существенно больше длины используемой радиоволны. Это автотракторная техника, люди и.т.д. Особое место занимают объекты земной поверхности, отраженные сигналы от которых являются так называемыми пассивными помехами. Это складки земной поверхности и растительные образования. Целями могут быть и малоразмерные баллистические объекты ти-

па летящих снарядов и пуль. Они имеют более простую конфигурацию и, бывает, не всегда существенно больше длины радиоволны. Сигналы, отраженные от всего разнообразия целей и пассивные помехи от мес т- ности формируются по законам электродинамики.

В широком смысле сигналы является не стационарными процессами.

Часть из них достаточно точно моделируются Марковскими или Полумарковскими процессами. Однако, такое представление создает значительные трудности для инженеров – разработчиков, поэтому они используют более простые модели. При этом получаются погрешности, вполне допустимыми при практическом проектировании радиолокаци-

онных систем.

Рассмотрим вариант, когда антенна не перемещается, между целью и радаром нет никаких других объектов, и имеется прямая оптическая видимость (рис. 1.3). Представим себе, что РЛС непрерывного излучения излучает детерминированный зондирующий сигнал вида uз(t)Sin(ωt). Электромагнитная волна возбуждает на поверхности цели контурные токи сверхвысоких частот (СВЧ) в элементах конструкции объекта.

В мм и см диапазонах волн размеры элементов конструкций автотракторной техники и растительных образований на порядок и более превышают длину волны. Формируется множество излучающих эле-

29

Сигналы РЛС непрерывного излучения

ментов, так называемых «блестящих» точек. Многие из них не разрешаются раздельно и образуют совокупный элемент, излучающий свою амплитуду и фазу. Большеразмерные объекты, складки местности и растительные образования имеют огромное число элементов переизлучающих в пространство СВЧ энергию.

Рис. 1.3. Принцип формирования отраженного сигнала

Каждый i вектор – со своей фазой и амплитудой, как показано на рис. 1.3. Суммарную композицию сигнала вторичного излучения можно записать так:

(1.8)

Таким образом, в зависимости от ракурса объекта суммарное вторичное излучение будет иметь разную мощность и фазовое приращение, а полярная диаграмма вторичного излучения – лепестковый характер. В 3 см диапазоне радиоволн число лепестков от автотракторной техники может достигать 1000 и более, а в мм диапазоне – несколько тысяч.

Представим себе движущуюся цель, которая разворачивается, изменяет наклон корпуса на неровностях, вибрирует и попадает с лучайным

30