8.3. Когерентно-импульсный метод малой скважности

Сложность решения проблемы развязки приемного и передающего каналов радиолокаторов непрерывного излучения приводит к необходимости в ряде случаев разделить во времени работу передатчика и приемника, т. е. к использованию временной развязки.

Разумеется, в этом случае генератор высотой частоты работает в импульсном режиме, причем в зависимости от величины скважности различают два режима его работы:

режим малой скважности, когда

режим большой скважности, когда Q >> 10.

Рассмотрим работу простейшего когерентно-импульсного радиолокатора малой скважности, блок-схема которого представлена на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Упрощенная блок-схема когерентно-импульсного радиолокатора, работающего в режиме малой скважности: М - модулятор, ГВЧ - генератор высокой частоты, ППП - переключатель прием-передача, Д - детектор, Ф - фильтр допплеровских частот, УНЧ - усилитель низкой частоты, И - индикатор

Модулятор попеременно включает то передатчик, то приемник на равное время, поэтому передатчик излучает импульсы длительностью τ₁, равной половине периода повторения Т_п.

Отраженные импульсы на входе приемника будут иметь ту же длительность и будут запаздывать на время

Поскольку приемник отпирается периодически, импульсы после детектора оказываются укороченными на величину, равную

Поэтому чем больше расстояние до цели, тем длиннее импульс на выходе детектора (рис. 8.4), так как его длительность определяется из соотношения

Рис. 8.4. Графики напряжений, поясняющие принцип действия когерентно-импульсного радиолокатора, работающего в режиме малой скважности

Чтобы выделить сигналы движущихся целей, необходимо после детектора ввести специальный фильтр низкой частоты Ф, пропускающий частоты Допплера, соответствующие возможным значениям радиальных скоростей движения целей.

На рис. 8.5 показаны спектры сигналов движущейся и неподвижной целей после детектора, требуемая характеристика фильтра низкой частоты и спектр сигнала на выходе УНЧ.

Рис. 8.5. Спектры сигналов движущейся и неподвижной целей и частотная характеристика фильтра допплеровских частот

На рис. 8.6 представлена блок-схема радиолокатора, позволяющего измерять дальность до целей методом разности двух частот.

Рис. 8.6. Блок-схема двухканального когерентно-импульсного радиолокатора, работающего в режиме малой скважности: М - модулятор, ГВЧ - генератор высокой частоты, ППП - переключатель прием-передача, См - смеситель, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, Д - детектор, Ф - фильтр допплеровских частот, УНЧ - усилитель низкой частоты, ФМ - фазометр, И - индикатор

Основным отличием этой станции является наличие двух каналов приемника, из которых один расстроен относительно другого на величину частоты повторения F_п. В каждом из каналов имеются фильтры допплеровских частот.

Радиолокатор может быть выполнен и с одноканальным приемником (рис. 8.7). В этом случае после фильтра допплеровских частот остаются две составляющие f_д и F_п - f_д, причем для обеспечения однозначности дальнометрии необходимо выполнить условие

Рис. 8.7. Блок-схема одноканального когерентно-импульсного радиолокатора, работающего в режиме малой скважности: М - модулятор, ГВЧ - генератор высокой частоты, ППП - переключатель прием-передача, См - смеситель, Гет - гетеродин, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, 1-й дет - первый детектор, 2-й дет - второй детектор, ФНЧ - фильтр низкой частоты, ФМ - фазометр, И - индикатор кругового обзора, Ф - фильтр допплеровских частот

После второго детектора Д₂ образуются комбинационные частоты, из которых фильтр ФНЧ пропускает только одну, с частотой F_п.

По разности фаз между опорными колебаниями модулятора и колебаниями на выходе низкочастотного фильтра, измеряемой с помощью фазометра ФМ, можно судить о расстоянии до цели.

На рис. 8.8 показаны частотные характеристики и спектры сигналов, поясняющие работу радиолокатора.

Рис. 8.8. Спектры сигнала движущейся цели и частотные характеристики фильтров допплеровских частот

Все рассмотренные радиолокаторы обладают разрешающей способностью по скорости и не обладают разрешающей способностью по дальности, что является их наиболее существенным недостатком.

Однако путем некоторого повышения скважности (q ≈ 10) можно обеспечить и разрешающую способность по дальности.

Упрощенная блок-схема такой станции представлена на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Блок-схема когерентно-импульсного радиолокатора с гребенчатыми фильтрами: М - модулятор, ГВЧ - генератор высокой частоты, В - возбудитель, ППП - переключатель прием-передача, См₁ и См₂ - смесители, ГПЧ - генератор промежуточной частоты, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, Ат - аттенюатор, Д₁ - первый детектор, ГФ₁ - первый гребенчатый фильтр, Д₂ - второй детектор, ГФ₂ - второй гребенчатый фильтр, Ог - ограничитель, ДЦ - дифференцирующая цепочка, И - индикатор

На выходе детектора Д₁ имеются сигналы как от неподвижных, так и от двужущихся целей. Для выделения импульсных сигналов движущихся целей без существенного изменения их формы предусматривается гребенчатый фильтр ГФ₁ с характеристикой, представленной на рис. 8.10. Сигналы движущихся целей на выходе этого фильтра представляют собой двуполярные видеоимпульсы, амплитуда которых изменяется с частотой Допплера (рис. 8.11, а). Далее эти импульсы поступают на детектор Д₂, на выходе которого они становятся однополярными (рис. 8.11, б). Для устранения модуляции этих импульсов предусматривается гребенчатый фильтр ГФ₂ с характеристикой, представленной на рис. 8.10. Форма видеоимпульсов на выходе гребенчатого фильтра ГФ₂ изображена на рис. 8.11, в. Далее эти импульсы дифференцируются (рис. 8.11, г) и затем поступают на индикатор кругового обзора (ИКО).

Рис. 8.10. Частотные характеристики гребенчатых фильтров

Рис. 8.11. Графики напряжений, поясняющие работу радиолокатора, блок-схема которого изображена на рис. 8.9: а - напряжение сигнала движущейся цели на выходе первого гребенчатого фильтра, б - напряжение сигнала движущейся цели на выходе второго детектора, в - напряжение на выходе второго гребенчатого фильтра, г - напряжение на выходе дифференцирующей цепочки

По положению фронта импульса или положению первого продифференцированного импульса по отношению к модулирующему импульсу судят о дальности цели.

Такая станция может обеспечить наблюдение примерно за десятью целями в пределах всей просматриваемой дистанции.

Остановимся теперь на выборе частоты повторения когерентно-импульсных радиолокаторов малой скважности.

В наземных радиолокаторах частота повторения обычно выбирается из условия однозначности дальнометрии.

Что касается самолетных радиолокаторов, то частота повторения определяется, исходя из условий эффективного подавления мешающих отражений от наземных местных предметов.

Мешающие отражения возникают от всех участков земной поверхности, облучаемых как главным, так и боковыми лепестками диаграммы направленности антенны радиолокатора. Так как значения радиальных составляющих скорости самолета относительно облучаемых участков земной поверхности различны, то спектр мешающих сигналов имеет квазинепрерывный характер, сосредотачиваясь около составляющих спектра излучаемых колебаний (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Спектры излучаемого сигнала и сигналов, отраженных от поверхности земли

Для того чтобы избежать маскировки сигнала воздушной цели сигналами, отраженными от поверхности земли, необходимо выполнить следующие два условия:

и

где f₁ - несущая частота излучаемых колебаний,

F_п - частота повторений импульсов,

f_{д з макс} - максимальная допплеровская частота сигналов, отраженных от земли,

f_{д ц макс} и f_{д ц мин} - максимальное и минимальное значения допплеровских частот воздушной цели.

Решая совместно эти неравенства и принимая f_{д ц мин} = 0, получаем

Так как

а

то

Так, например, для случая, когда υ_rзмакс = υ_цмакс = 300 м/сек и λ = 3 см, частота повторения должна быть не ниже 60 кгц.

Таким образом, самолетные когерентно-импульсные радиолокаторы малой скважности должны иметь весьма высокие частоты повторения, что находится в противоречии с условиями однозначности дальнометрии. Поэтому для обеспечения однозначной дальнометрии необходима дополнительная низкочастотная модуляция излучаемых колебаний.

В заключение следует отметить, что основным достоинством когерентно-импульсных систем малой скважности является хорошее подавление сигналов неподвижных целей (до 90-95 дб), т. е. почти ниже уровня шумов, однако такое подавление может быть обеспечено только при высокой стабильности частоты и амплитуды генерируемых колебаний. Поэтому в таких радиолокаторах применяются кварцевая стабилизация частот передатчика и модулятора, высокая степень фильтрации питающих напряжений, питание накалов с частотой, кратной частоте повторения и лежащей выше полосы пропускания гребенчатых фильтров, а также тщательная экранировка и амортизация аппаратуры.