3.11. Точность импульсных радиодальномеров

Точность импульсного радиодальномера зависит от точности синхронизации, определения величины запаздывания сигналов в цепях радиодальномера, масштаба и отсчета. Систематические ошибки каждой из перечисленных величин вызывают систематические ошибки дальности. Эти ошибки могут быть определены при калибровке радиодальномера.

Однако непостоянство систематических ошибок будет вызывать дальномерные ошибки, отличающиеся от определяемых при калибровке, и, следовательно, будет ухудшать точность дальнометрии.

Поэтому при анализе влияния различных факторов на точность дальнометрии следует обращать основное внимание не столько на абсолютное значение дальномерной ошибки, сколько на постоянство этого значения.

Дальномерные ошибки из-за неточности синхронизации возникают в том случае, когда о дальности цели судят по расстоянию до отраженного импульса от начала развертки, а не от начала зондирующего импульса. Величина этой ошибки согласно формуле (3.3) равна

где Δt_с - ошибка синхронизации, равная интервалу времени между началом зондирующего импульса и началом развертки.

При синхронизации от модулятора для повышения точности синхронизации необходимо повышать крутизну фронта модулирующего импульса. При синхронизации от генератора синусоидальных колебаний или от генератора пусковых импульсов для повышения точности синхронизации модулятор передатчика необходимо выполнять на "жестких" лампах, а запуск его осуществлять импульсами с крутым фронтом.

Дальномерная ошибка, вызванная неточностью величины запаздывания сигналов в цепях радиодальномера, равна

где Δt_зап - ошибка запаздывания сигнала в цепях радиодальномера.

Дальномерные ошибки, возникающие за счет неточности масштаба, могут быть найдены следующим путем.

Согласно формуле (3.40)

где ΔМ - ошибка масштаба.

При электронной шкале ошибки масштаба определяются только точностью частоты генератора масштабных меток и не зависят от скорости развертки. При механической шкале ошибки масштаба зависят как от точности изготовления шкалы, так и от точности значения скорости развертки. Действительно, согласно формуле (3.40)

Поэтому

или

Влияние неточности скорости распространения радиоволн на ошибку масштаба здесь не учитывается, так как этот вопрос был рассмотрен ранее.

Точность и постоянство скорости развертки при линейной развертке определяются как параметрами генератора развертки, так и параметрами электронно-лучевой трубки.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим простейшую схему генератора линейной развертки, представленную на рис. 3.29. При подаче на сетку разрядной лампы запирающего импульса напряжение на конденсаторе С_р будет возрастать по экспоненциальному закону

где Е_а - напряжение анодного питания,

U_н - начальное напряжение на зарядной емкости.

Обычно U_н << Е_а.

Поэтому

Это выражение можно представить в виде степенного ряда

Если время рабочего хода развертки значительно меньше постоянной времени зарядной цепи, то можно ограничиться только первым членом разложения.

Тогда

Скорость развертки будет равна

где h - чувствительность трубки.

Поэтому

Откуда относительное изменение масштаба, вызванное изменениями параметров индикатора дальности, будет равно

Как видим, точность и стабильность масштаба зависят от точности и стабильности чувствительности трубки, напряжения питания, сопротивления и емкости зарядной цепи.

Обеспечить высокую точность и стабильность всех перечисленных величин трудно. Поэтому в индикаторах дальности с линейной разверткой, как правило, предусматривается возможность регулировки масштаба и его контроль при помощи специального калибратора, т. е. генератора масштабных колебаний. В дальномерах с синхронизацией от модулятора в качестве калибратора обычно применяют либо генератор с ударным возбуждением контура, либо транзитронный генератор синусоидальных колебаний. Применение кварцевых генераторов в этом случае, как уже упоминалось ранее, затруднено в силу большого времени нарастания колебаний.

Заметим, что влияние непостоянства чувствительности трубки и напряжения анодного питания генератора развертки на точность дальнометрии можно устранить, если отсчет расстояния вести по положению ползунка потенциометра (рис. 3.29), при котором отраженный импульс находится в середине экрана.

Действительно, в тот момент, когда фронт отраженного импульса совмещен с визирной нитью, расположенной в центре экрана, напряжения на конденсаторе генератора развертки и на нижнем плече потенциометра равны между собой, т. е.

Откуда

Следовательно, измеряемое расстояние будет равно

Из этого выражения видно, что в рассматриваемом случае результат измерения не зависит от чувствительности трубки и величины анодного напряжения генератора развертки.

При кольцевой развертке величина масштаба согласно формуле (3.41) равна

Откуда относительная ошибка масштаба будет равна

где ΔΩ_р - ошибка угловой частоты генератора синусоидальной развертки.

Выше уже отмечалось, что индикаторы дальности с кольцевой разверткой обычно применяются в тех случаях, когда синхронизация осуществляется от генератора синусоидальных колебаний. Если этот генератор выполнить с кварцевой стабилизацией, то будут обеспечены высокая точность и стабильность масштаба. Именно поэтому такие индикаторы обычно и применяются в радиодальномерах высокой точности.

Следует иметь в виду, что постоянство масштаба вдоль линии развертки будет обеспечено только в том случае, когда форма развертки представляет собой окружность. Если же форма развертки представляет собой эллипс, то скорость развертки, а следовательно, и масштаб будут периодически меняться, что, естественно, приведет к появлению соответствующих дальномерных ошибок.

Эллиптическая форма развертки может возникнуть из-за неодинакового изменения амплитуд напряжений, подводимых к "X" и "Y" пластинам, или сдвига фаз между этими напряжениями.

В случае, когда h_xU_mx ≠ h_yU_my,

Полагая, что

получаем

Откуда

Как видим, ошибка угла θ является периодической функцией, изменяющейся с частотой 2ω. Максимальная ошибка будет

Соответствующая дальномерная ошибка будет

Аналогичным путем может быть найдена ошибка, возникающая за счет отличия разности фаз между напряжениями U_x и U_y от 90°.

Для устранения эллиптичности развертки в индикаторах предусматривается возможность регулировки амплитуды и фазы одного из напряжений развертки (рис. 3.34).

В реальных условиях ошибки, обусловленные эллиптичностью развертки, невелики, так как даже незначительная эллиптичность легко обнаруживается. Наличие гармоник в напряжении развертки также вызывает периодическое изменение масштаба. Поэтому необходимо обеспечить строго синусоидальную форму напряжений развертки.

Наличие эксцентриситета также вызывает дальномерные ошибки. Пусть погрешность центрирования равна ε₂. Максимальная ошибка угла θ будет на направлении, перпендикулярном направлению смещения, и будет равна

где а - радиус развертки.

Соответствующая дальномерная ошибка будет

Не следует упускать из виду, что изменение скорости развертки вызывает дальномерные ошибки только при применении механических шкал. Сказанное относится как к индикатору с линейной разверткой, так и к индикатору с кольцевой разверткой.

При использовании электронных шкал изменение скорости развертки не будет влиять на точность дальнометрии. В этом случае точность масштаба будет определяться точностью частоты генератора масштабных меток. Однако при электронной шкале будут возрастать ошибки отсчета в силу того, что толщина электронных меток значительно больше толщины риски на механической шкале. Поэтому электронные шкалы используют в тех случаях, когда трудно обеспечить требуемую стабильность скорости развертки или когда применение механических шкал вообще нецелесообразно.

Рассмотрим теперь дальномерные ошибки, вызванные ошибками отсчета.

Ошибки отсчета зависят от способа отсчета расстояния, от величины масштаба, от крутизны фронта отраженного импульса, от отношения сигнал/помеха и, конечно, от субъективных качеств оператора.

Наиболее простым способом отсчета является определение расстояния по положению отраженного импульса на экране индикатора относительно механической или электронной шкалы дальности. Однако при таком способе отсчета возможны большие ошибки вследствие интерполяции на глаз. Поэтому этот способ отсчета допускается только в дальномерах низкой точности, в частности в дальномерах радиолокационных станций дальнего обнаружения.

Применение специальной измерительной отметки дает возможность значительно повысить точность отсчета. Измерительная отметка может быть механической, в виде визирной нити, или электронной. На рис. (3.35) представлены наиболее употребительные формы электронных измерительных отметок.

Рис. 3.35. Форма электронных измерительных отметок

Первые три отметки являются амплитудными, а четвертая отметка, представляющая собой яркую или наоборот темную точку, является яркостной отметкой.

Недостатком механической измерительной отметки является возможность возникновения ошибок отсчета за счет параллакса. Электронные измерительные отметки свободны от этого недостатка, но они обеспечивают меньшую точность отсчета за счет большей толщины отметки по сравнению с толщиной визирной нити или риски. Поэтому довольно часто в дальномерах высокой точности предпочтение отдают механической измерительной отметке.

Влияние величины масштаба на точность отсчета, сказывается в том случае, когда диаметр светящегося пятна больше длины фронта отраженного импульса на экране трубки или соизмерим с нею. В этом случае фронт отраженного импульса на экране всегда будет крутым вне зависимости от его длительности. Ошибка отсчета будет составлять какую-то часть диаметра пятна, т. е.

где d_п - диаметр пятна,

k - коэффициент пропорциональности (k < 0,5). Поэтому дальномерная ошибка, вызванная конечными размерами пятна, будет

Как видим, для уменьшения этой ошибки необходимо увеличить масштаб.

Для одношкального индикатора с линейной разверткой масштаб равен

где D - диаметр экрана,

R_пр - расстояние, просматриваемое на экране.

Следовательно,

где - разрешающая способность трубки.

Разрешающая способность трубки зависит от качества фокусировки и конструкции трубки. Для трубки с электростатическим отклонением луча Q = 150-300, а для трубки с магнитным отклонением луча Q = 300-600.

Так как разрешающая способность трубки практически не зависит от диаметра экрана, то его увеличение не может повысить точность отсчета. Применение кольцевой развертки вместо линейной несколько улучшает точность отсчета, поскольку при этом увеличивается длина развертки.

Одним из вариантов увеличения масштаба является увеличение длины развертки за пределы диаметра экрана. При этом, конечно, на экране трубки будет просматриваться не вся дальность, а только какая-то часть ее. Для последовательного просмотра всей дальности необходимо перемещать линию развертки вдоль ее оси, что достигается изменением постоянного напряжения на X пластинах (рис. 3.29). Перемещая движок потенциометра, оператор имеет возможность смещать линию развертки, а следовательно, и отраженные импульсы вправо или влево и, таким образом, просматривать всю дальность. Как уже указывалось ранее, отсчет расстояния в этом случае ведется по положению ползунка потенциометра в момент, когда фронт отраженного импульса совпадает с визирной нитью, расположенной в центре экрана.

Недостатком такого способа увеличения масштаба является то, что амплитуда напряжения развертки должна быть больше напряжения, необходимого для перемещения пятна на величину диаметра экрана, во столько раз, во сколько максимальное расстояние, подлежащее измерению, превышает участок дальности, просматриваемый на экране. Это приводит к повышению требований на изоляцию, а следовательно, и к усложнению конструкции генератора развертки и потенциометра.

Другим вариантом увеличения масштаба, не требующим увеличения напряжения развертки, является применение ускоренной развертки, задержанной относительно пускового импульса. В этом случае на экране индикатора также просматривается не вся дальность, а только какая-то часть ее. Последовательный просмотр всей дальности осуществляется путем изменения времени задержки.

Блок-схема такого индикатора и графики напряжений, поясняющие ее работу, представлены на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Блок-схема индикатора с задержанной ускоренной разверткой и графики напряжений, поясняющие его работу: KЗ₁ и КЗ₂ - каскады задержки импульсов, ГПИ₁ и ГПИ₂ - генераторы прямоугольных импульсов, ГР - генератор развертки

Расстояние до цели определяется по положению органа регулировки времени задержки, при котором фронт отраженного импульса совпадает с визирной нитью, расположенной в центре экрана. Для того чтобы при таком способе отсчета иметь возможность измерять расстояния, начиная от нуля, развертка должна начинаться ранее зондирующего импульса на время, равное времени перемещения пятна от края экрана до визирной нити. С этой целью между генератором пусковых импульсов и модулятором вводится специальный каскад задержки.

Изменение чувствительности трубки при таком способе отсчета не будет влиять на точность дальнометрии. Однако в отличие от первого варианта изменение напряжения источников питания генератора развертки будет влиять на точность дальнометрии.

Ошибки в величинах фиксированной и регулируемой задержек будут также вызывать соответствующие дальномерные ошибки.

Особенностью обоих индикаторов является то, что на экране видна только часть дальности, подлежащей просмотру.

В тех случаях, когда желательно видеть на экране индикатора всю дальность, можно несколько повысить точность отсчета путем увеличения скорости развертки на небольшом участке ее под интересующим пас отраженным импульсом. Для этого форма напряжения развертки должна иметь вид, представленный на рис. 3.37. Такая форма развертки называется "лупой времени".

Рис. 3.37. Форма напряжения генератора развертки индикатора 'с лупой времени' и изображение на экране

Как видим, скорость нарастания напряжения развертки, а следовательно, и масштаб в интервале времени Т_уск больше, чем в остальное время развертки. Само собой разумеется, что должна быть предусмотрена возможность перемещения участка развертки с увеличенным масштабом по всей длине развертки.

Кроме того, участок развертки с увеличенным масштабом должен четко выделяться из остальной части развертки. Для этого можно использовать селекторный импульс положительной или отрицательной полярности, с длительностью, равной длительности ускоренной развертки.

Изображение на экране при правильном совмещении отраженного и селекторного импульсов представлено на том же рис. 3.37.

Расстояние до цели определяется по положению органа регулировки времени задержки Т₂.

Наиболее радикальным решением проблемы увеличения масштаба является применение многошкальных индикаторов. Поэтому в дальномерах высокой точности обычно применяются двушкальные индикаторы.

Следует помнить, что величина масштаба развертки влияет на точность отсчета только в том случае, когда длина фронта отраженного импульса на экране меньше или соизмерима с диаметром пятна.

Если же масштаб выбран таким, что диаметр пятна существенно меньше фронта импульса, то точность отсчета от величины масштаба не зависит. В этом случае точность отсчета зависит от длительности фронта отраженного импульса.

Ошибка отсчета будет составлять какую-то часть длины фронта отраженного импульса, т. е.

где k - коэффициент пропорциональности,

l_ф - длина фронта отраженного импульса.

Так как

где τ_ф - длительность фронта отраженного импульса, то

Согласно формуле (3.40)

Поэтому

Соответствующая дальномерная ошибка будет

Полученное соотношение справедливо и для индикатора с кольцевой разверткой.

Коэффициент пропорциональности k зависит от отношения сигнал/помеха и, конечно, от субъективных особенностей оператора. Для случая, когда отношение сигнал/помеха существенно больше единицы, значение k ориентировочно равно 1/20. При ухудшении отношения сигнал/помеха точность отсчета будет также ухудшаться.

Итак, при правильном выборе масштаба и обеспечении его стабильности, а так же стабильности синхронизации, дальномерная точность определяется, главным образом, крутизной фронта отраженного импульса.

Крутизна фронта отраженного импульса на входе индикатора определяется, во-первых, крутизной зондирующего импульса и, во-вторых, степенью искажений, возникающих во всем тракте распространения, начиная от генератора высокой частоты и кончая индикатором.

Крутизна зондирующего импульса, в свою очередь, определяется крутизной модулирующего импульса и длительностью нарастания колебаний в генераторе высокой частоты.

Рассмотрим факторы, определяющие крутизну фронта модулирующего импульса.

На рис. 3.38 представлена простейшая схема модулятора с накопительной емкостью и его упрощенная эквивалентная схема. При подаче на сетку модуляторной лампы положительного пускового импульса напряжение на магнетроне будет возрастать по экспоненциальному закону

где Е₀ - начальное напряжение на накопительном конденсаторе,

R_вн - внутреннее сопротивление модулятора,

R_магн - сопротивление магнетрона,

С₀ - паразитная емкость.

Рис. 3.38. Принципиальная и эквивалентная схемы модулятора с накопительной емкостью

Так как обычно R_вн << R_магн, то

Как видим, крутизна фронта модулирующего импульса зависит от величины внутреннего сопротивления ключа модулятора R_вн и величины паразитной емкости С₀.

Условимся в дальнейшем под длительностью фронта импульса понимать время, в течение которого напряжение возрастает от 0,1 до 0,9 установившегося значения. В рассматриваемом случае

Как видим, для уменьшения длительности фронта модулирующего импульса необходимо уменьшать постоянную времени R_внC₀.

Другими словами, для повышения крутизны фронта модулирующего импульса необходимо увеличивать полосу пропускания модулятора.

Форма огибающей импульсов генератора высокой частоты при прямоугольной форме модулирующего импульса представлена на рис. 3.39. Ориентировочно длительность фронта огибающей высокочастотных импульсов можно принять равной 30 периодам высокой частоты для триодных генераторов и равной 200 периодам высокой частоты для магнетронных генераторов.

Рис. 3.39. Форма зондирующего импульса при прямоугольной форме модулирующего импульса

Между прочим, конечное значение времени нарастания и времени спада колебаний в генераторе высокой частоты является тем фактором, который ограничивает минимальную длительность зондирующего импульса.

Из рис. 3.39 видно, что

Так как для триодного генератора

где Т_ω - период высокой частоты,

то

где λ - длина волны.

Если длину волны выразить в метрах, то минимальная длительность зондирующего импульса в микросекундах будет

Рассмотрим теперь искажения фронта импульса, возникающие в приемнике.

Как известно, крутизна фронта импульса на выходе радиоусилителя при идеально крутом фронте импульса на входе зависит главным образом от его полосы пропускания.

Длительность фронта импульса, равная по-прежнему времени нарастания колебаний от 0,1 до 0,9 установившегося значения, будет равна

Следует отметить, что все сказанное об искажениях фронта относится и к спаду импульса, так как выключение гармонического напряжения на входе эквивалентно включению второго напряжения, равного первому по величине, но с противоположной фазой. Включение этого второго напряжения через время τ после включения первого равносильно подаче на вход приемника прямоугольного импульса длительностью τ с высокочастотным заполнением.

Искажения фронта импульса в видеоусилителе такие же, как и в резонансном усилителе. Только в этом случае вместо полосы пропускания Δf в формуле (3.50) необходимо подставить 2F_в, где F_в - верхняя частота при завале, равном 0,7. С учетом сказанного длительность фронта импульса на выходе видеоусилителя при идеально крутом фронте на входе будет

Заметим, что величина F_в определяется постоянной времени R_aC₀, где R_a - сопротивление анодной нагрузки, а С₀ - паразитная емкость.

Постоянная времени C_gR_g определяет завал на нижних частотах. Величина этой постоянной времени влияет на искажение вершины импульса.

Необходимо иметь в виду, что в случае, когда искажения фронта импульса в приемнике определяются полосой пропускания радиоусилителя, а не видеоусилителя.

Таковы основные сведения об искажениях импульсных сигналов в цепях приемника.

Искажения фронта огибающей генерируемого и принимаемого высокочастотных импульсов в антенно-фидерной системе определяются ее широкополосностью. Обычно полоса пропускания антенно-фидерной системы значительно больше, чем приемника. Поэтому искажениями в ней можно пренебречь.

Искажениями фронта зондирующего и отраженного импульсов, возникающими в среде, в которой происходит распространение, также можно пренебречь.

Искажения фронта зондирующего импульса, возникающие при отражении от цели, определяются ее размерами. Для точечных целей, когда линейные размеры цели в направлении облучения значительно меньше половины длины импульса в пространстве, равной искажениями фронта можно пренебречь. Если же указанные размеры соизмеримы или больше то фронт отраженного импульса, по очевидным причинам, будет иметь меньшую крутизну, чем зондирующий.