Структурна схема імпульсної РЛС

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

Радіолокацією називається виявлення об’єктів (цілей) і визначення їх координат у просторі та параметрів руху за допомогою радіотехнічних засобів та методів. Цей процес називається радіолокаційним спостереження, а устаткування такого призначення — радіолокаційними станціями (РЛС) або радіолокаторами.

 

 

Структурна схема імпульсної РЛС

 

 

Розглянемо коротко  процес радіолокаційного спостереження: збір інформації про об’єкт виконується шляхом його опромінення та прийому відбитих від нього сигналів. Високочастотні коливання, що виробляються передавачем модулюються за амплідудою, частотою або фазою. Потім за допомогою антенни випромінюються в простір, утворюючи, таким чином, зондуюче випромінення. Найширшого застосування набув зондуюючий сигнал у вигляді послідовності рівновіддалений в часі коротких імпульсів. Крім простих гладких радіоімпульсів також викостовуються частотна модуляція та фазова маніпуляція всередині імпульсу. Іншим видом зондуючого сигналу є неперервний сигнал. Тут окрім простих гармонічних коливань використовуються частотно-модульовані тощо.

Але коливання, що випромінюються не несуть ніякої інформації, тому вважати  їх радіолокаційними сигналами неможна. По досягненні об’єкту хвилі, збуджуючи  в об’єкті вимушені коливання, відбиваються від нього, утворюючи, в свою чергу, вторинне випромінення. Саме воно й є носієм інформації. Частина відбитою енергїї потрапляє до антенного пристрою РЛС, підсилюється в приймачі та фіксується в вихідному пристрої. Поява сигналів на виході РЛС каже про наявність об’єкту в просторі.

Основні характеристики РЛС

 

Розглянемо такі важливі  характеристики РЛС як роздільну  здатність та максимальну дальність  спостереження.

Перше — роздільна здатність — характеристика РЛС, що визначає можливість окремого спостереження цілей, що мають малі відмінності в дальності, кутових координатах, швидкості. Вона має особливу вагу для сучасної радіолокації з-за числених близько розташованих цілей, які мало відрізняються по своїй швидкості.

Наприклад, роздільна здатність РЛС по дальності чисельно характеризується мінімальною відстанню між двома цілями, що мають однакові кутові координати (тобто розташовані в радіальному відносно РЛС напрямі).

Нехай t_і — тривалість імпульсу, Dt_з — час затримки між сигналами, що прийшли від двох різних цілей. Тоді дві цілі вважаються окремими, якщо t_і ≤Dt_з. Оскільки Dt_з=2*(D₂-D₁)/c, то ми отримуємо, що роздільна здатність по дальності, яку прийнято в цьому випадку називати ідеальною, дорівнює

dD_ид=c*t_і /2

Ідеальна роздільна  здатність є фактично потенційною dD_пот , тобто гранично досяжною. Тому в загальному випадку

dD_пот =dD_ид=c*t_і /2

Отже задля підвищення роздільниою здатності з’язано  з необхідністю скорочення тривалості імпульсів. Це можна трактувати як розширення спектру сигналу.

Іншою важливою характеристикою РЛС  є максимальна дальність її дії.

Виходячи з рівнянянь радіозв’язку та радіолокації в вільному просторі (тобто без урахування впливу землі  та поглинання в атмосфері) можна  отримати якісну залежність максимальної дальності дії РЛС від тривалості імпульсу.

Р_пр=Р_п*G*A/4*p*D²

Це рівняння зв’язує  потужність в районі цілі з потужністю передавача та відстанню до цілі.

Р_пр=Р_п*s_ц*A²/4*p* l²*D⁴

Це ж рівняння зв’язує  потужність відбитого від цілі випромінення і прийнятого РЛС з потужністю передавача та відстанню до цілі.

Якщо на вході приймача  існує  пороговий (нацменший з тих, що розрізняються) Р_{пр мін}, то отримаємо для дальності дії в вільному просторі.

D₀ ~ (Р_п/ Р_{пр мін})^1/4

Звідки можна отримати

D₀ ~ (Р_пt_і)^1/4

Поняття про ЛЧМ

 

Отже дальність дії  РЛС, як і інших радіоприладів, за деяких умов, які в РЛС можна  вважати виконаними, залежить  від  тривалості імпульсу незалежно від  його форми. Враховуючи, що граничні плтужності приладів обмежені, збільшення дальності  неминуче зв’язано зв’язано з збільшенням тривалості імпульсів, тобто зі зниженням потенційної роздільої здатності по дальності  (dD_пот =c*t_і /2). Тому вимоги великої дальності та високої роздільної здатності призводять до протиріччя.

Прості радіоімпульси  не дозволяють сумістити велику дальність дії РЛС з високою роздільною здатністю, оскільки перше потребує великих, а друге малих за тривалістю імпульсів. Протиріччя вирішується використанням складних радіоімпульсів — зондуючих імпульсів великої тривалості t_і з внутрішньою частотною або фазовою модуляцією.

Внутрішня імпульсна модуляція  розширює спектр випромінення від Df_сп =1/ t_і  до Df’_сп =f_max-f_min., а фільтр приймача руйнує модуляцію всередині імпульсів, зберігаючи ширину спектра, зменшуючи довжину імпульсів від t_і до 1/Df’_сп .

Довжина зондуючих імпульсів t_і вибирається достатньо великою, щоб енергія випромінення забезпечила задану дальність РЛС, а модуляція всередині імпульсів розширила спектр настільки, щоб стиснуті імпульси задовольнили вимогам по роздільній здатності та точності вимірювань дальності.

Тоді якщо на вхід фільтра  подаються два імпульсних сигнала  зі зсувом в часі, які менше тривалості t_і одного імпульса. Якщо б імпульси не містили внутрішньої модуляції, то їх неможливо було б розрізнити. В цьому ж разі, коли існує внутрішня модуляція, виконується незалежний стиск, з-за чого вони чітко розрізняються в вихідній напрузі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спрощена функціональна  схема РЛС, яка випромінює ЛЧМ  сигнали

Розглянемо  докладніше процесс стиску ЛЧМ сигнала. Якщо такий імпульс проходить через фільтр, у якого залежність часу групового запізнення такий, що фільтр прискорює складові з більш низькими частотами біля заднього фронта імпульса та вповільнює складові з більш високими частотами біля переднього. Тому спостерігається ефект стиску, тобто тривалість імпульсу зменшується. Ступінь стиску визначається величиною девіації частоти Df’_сп . Тривалість стиснутого імпульсі приблизно дорівнює 1/Df’_сп

Зміна часу групового  запізнення фільтра при зміні  частоти називається дисперсією , а відповідні фільтри — дисперсіонними. Їх фазова характеристика є квадратичною функцією частоти, тому час запізнення, який є похідною фазової характеристики, виявляється лінійною функцією.

Дисперсіонна  лінія затримки являє собою ультразвуковий волновод у вигляді плоскої тонкої алюмінієвої  або стальної пластини з п’єзоперетворювачем на кінцях.

Висновок

 

Використання ЛЧМ дозволяє уникнути проблем з забезпеченням високої  роздільності та великої дальності  дії РЛС, забезпечуючи більш точні  результати радіолокації. Можна додати, що в принципі досягнені коефіцієнти стиску порядку декількох тисяч та навіть 10⁵  хоча поки що в РЛС використовуються набагато менші коефіцієнти стиску.

 

Література

1. Г.Б. Белоцерковский ”Основы радиолокации и радиолокационные устройства”
2. Г.Б. Белоцерковский ”Радиолокационные устройства ”
3. М.И Финкельштейн ”Основы радиолокации ”