4.9. Одноканальные системы автоматического сопровождения по направлению

Под сопровождением какой-либо цели по направлению понимают получение непрерывной информации о текущих угловых координатах этой цели обычно в виде напряжения или угла поворота валика электро-механического индикатора направления.

На раннем этапе развития радиолокационной техники сопровождение по направлению осуществлялось оператором вручную. Достоинством такого вида сопровождения является возможность сознательной селекции сигналов сопровождаемой цели из сигналов других целей. Недостатком ручного сопровождения является низкая точность сопровождения быстро перемещающихся целей, обусловленная сравнительно большой инерционностью оператора. От этого недостатка в значительной степени свободны системы автоматического сопровождения по направлению, поскольку такие системы можно выполнить менее инерционными. Поэтому в современных радиолокаторах сопровождение по направлению, как правило, осуществляется автоматически.

Системы автоматического сопровождения по направлению делятся на одноканальные и двухканальные. В данном параграфе будут рассмотрены только первые. Упрощенная блок-схема такой системы, реализующей равносигнальный метод пеленгации, представлена на рис. 4.39.

Рис. 4.39. Упрощенная блок-схема одного из вариантов системы автоматического сопровождения дели по направлению, реализующего равносигнальный метод пеленгации

Принцип действия системы сводится к следующему.

При вращении вибратора относительно оптической оси параболической антенны максимум пеленгационной характеристики описывает в пространстве конус. Если при этом угол при вершине конуса выбрать меньшим ширины пеленгационной характеристики, то в направлении оптической оси параболической антенны будет образовано равносигнальное направление.

Пусть направление на цель не совпадает с равносигнальным направлением (рис. 4.40). Тогда отраженные импульсы как на входе, так и на выходе приемника окажутся амплитудно-модулированными (рис. 4.41). Частота модуляции равна частоте конического обзора (обычно 30-80 гц), а глубина модуляции зависит от величины угла рассогласования ψ.

Рис. 4.40. Схема, поясняющая получение амплитудно-модулированных сигналов на входе приемника радиолокационной станции

Рис. 4.41. Графики напряжений, поясняющие получение сигнала ошибки

Если ψ << ψ₀, то коэффициент модуляции может быть определен по формуле (4.30) как

Форма огибающей амплитудно-модулированных импульсов также зависит от величины угла рассогласования.

При ψ << ψ₀ форма огибающей весьма близка к синусоидальной и для случая, представленного на рис. 4.40, может быть выражена следующим уравнением:

Таким образом, глубина модуляции и начальная фаза огибающей однозначно определяют положение цели относительно равносигнального направления.

Для выделения огибающей амплитудно-модулированных импульсов напряжение с выхода видеоусилителя поступает на детектор сигнала ошибки, представляющий собой пиковый детектор, постоянная времени нагрузки которого значительно больше периода повторения. Форма напряжения на выходе детектора сигнала ошибки будет близка к форме огибающей (рис. 4.41), но будет содержать, кроме основной частоты, ряд гармонических составляющих, кратных частоте повторения и частоте конического обзора.

Напряжение с выхода пик-детектора поступает на усилитель сигнала ошибки, который обычно выполняют по схеме разонансного усилителя. Колебательный контур усилителя настроен па частоту конического обзора, чем достигается селекция основной частоты огибающей из различных гармонических составляющих. Получающееся на выходе усилителя напряжение принято называть сигналом ошибки. Это напряжение без учета напряжения помех достаточно точно описывается уравнением

где φ₀ - дополнительный сдвиг фазы, возникающий в цепях станции.

Из формул (4.55) и (4.56) следует, что амплитуда сигнала ошибки может быть представлена как

где k₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров станции, расстояния до цели и эффективной поверхности рассеяния цели.

Полученный таким путем сигнал ошибки используется далее для образования напряжений, управляющих перемещением антенны в азимутальной и угломестных плоскостях. С этой целью сигнал ошибки подается на фазовые детекторы канала азимута и канала угла места. Кроме того, на каждый из фазовых детекторов подаются так называемые опорные напряжения, представляющие собой переменные напряжения синусоидальной или прямоугольной формы с периодом, равным периоду конического обзора.

Начальные фазы опорных напряжений выбираются так, чтобы

где U₁ и U₂ - опорные напряжения каналов азимута и угла места.

Обычно при этом U_m1 >> U_m и U_m2 >> U_m. Тогда напряжения на выходе фазовых детекторов канала азимута и канала угла места будут

где k₂ и k₃ - коэффициенты пропорциональности, определяемые параметрами фазовых детекторов.

Из рис. 4.40 видно, что

Поскольку значение угла ψ₀ в реальных системах обычно не превышает нескольких градусов, то при ψ << ψ₀ можно считать, что

Тогда формулы (4.60) с учетом формул (4.58) и (4.61) примут вид:

Как видим, управляющие напряжения канала азимута и канала угла места получены из сигнала ошибки путем разложения последнего на две ортогональные составляющие.

Далее управляющие напряжения усиливаются при помощи усилителей постоянного тока и электромашинных усилителей, а затем подаются на электромоторы, поворачивающие антенну в азимутальной и угломестной плоскостях.

В результате равносигнальное направление будет перемещаться в пространстве так, что управляющие напряжения, а следовательно, и углы рассогласования по азимуту и углу места будут уменьшаться, стремясь в пределе к весьма малой величине, равной ошибке сопровождения.

Таким образом, рассмотренная система автоматического сопровождения по направлению является замкнутой следящей системой, обеспечивающей такое перемещение равносигнального направления в пространстве, при котором оно все время совпадает с направлением на цель с точностью до ошибки сопровождения. Поэтому об угловых координатах цели можно судить по положению равносигнального направления в пространстве.

Для дистанционной передачи информации об угловых координатах цели обычно используют синхронно-следящие системы, повторяющие движение антенны в азимутальной и угломестной плоскостях.

К системам автоматического сопровождения по направлению предъявляются два основных требования:

система должна быть устойчивой,

система должна обеспечивать высокую динамическую точность сопровождения при всех режимах работы радиолокационной станции.

Первое из указанных требований обеспечивается путем правильного выбора параметров каналов автоматического сопровождения по азимуту и углу места. Обычно для получения необходимых динамических свойств системы приходится в нее вводить дополнительно так называемые стабилизирующие элементы. Чаще всего предусматриваются такие элементы, как ограничители вращающего момента и корректирующие дэмпфирующие элементы, предназначенные для устранения колебаний в системе.

Второе из указанных требований обеспечивается правильным выбором параметров всей радиолокационной станции и в первую очередь правильным выбором величины пеленгационной способности и полосы пропускания системы автоматического сопровождения. При увеличении пеленгационной способности точность сопровождения во всех случаях возрастает. Поэтому пеленгационную способность целесообразно увеличивать до величин, лимитируемых габаритами антенны. При уменьшении полосы пропускания системы уменьшаются ошибки, вызываемые флюктуациями отраженного сигнала, но увеличиваются ошибки, вызываемые перемещением цели, т. е. динамические ошибки. Поэтому полоса пропускания системы выбирается, исходя из назначения радиолокатора.

Не следует упускать из виду, что автоматическое сопровождение выбранной цели по направлению возможно только в том случае, когда на вход детектора сигнала ошибки поступают видеоимпульсы только сопровождаемой цели. Если в поле конического обзора станции находится несколько целей, то необходимо обеспечить селекцию сигналов сопровождаемой цели из сигналов других целей. Такая селекция осуществляется путем селекции по дальности при помощи временного селектора, т. е. так же, как и в системах автоматического сопровождения по дальности. На временной селектор, представляющий собой каскад совпадений, подаются как импульсы, отраженные от целей, так и селекторные импульсы от специального генератора селекторных импульсов. Через временной селектор пройдут только те отраженные импульсы, которые по времени совпадают с селекторными импульсами. Если время задержки селекторных импульсов относительно пусковых импульсов выбрать равным времени задержки импульсов сопровождаемой цели, то будет обеспечена требуемая селекция. Необходимое время задержки селекторных импульсов обеспечивается как вручную, так и автоматически.