8.6. Компенсация сигналов неподвижных целей

Основным отличием отраженных сигналов движущихся и неподвижных целей является то, что спектральные составляющие первых сдвинуты относительно спектральных составляющих вторых на величину поправки Допплера (рис. 8.20). Это означает, что в спектре видеоимпульсов движущихся целей на выходе приемника когерентно-импульсного радиолокатора имеются дополнительные составляющие, сдвинутые относительно составляющих частоты повторения на величину частоты Допплера (рис. 8.21).

Рис. 8.20. Спектры отраженных радиоимпульсов неподвижной и движущейся целей: а - цель неподвижна, б - цель движется

Рис. 8.21. Спектры видеоимпульсов: а) неподвижной цели, б) движущейся цели

Поэтому для подавления сигналов неподвижных целей достаточно в спектре видеосигналов устранить все составляющие частоты повторения. Такое подавление можно осуществить с помощью гребенчатого фильтра с характеристикой, представленной на рис. 8.22.

Рис. 8.22. Частотная характеристика гребенчатого фильтра подавления сигналов неподвижных целей

Здесь Δf_п - полоса подавления на уровне 0,7 по напряжению, величина которой определяется частотной и амплитудной нестабильностью излучаемых и принимаемых сигналов.

Число полос подавления определяется числом составляющих частоты повторения в спектре принимаемого сигнала. Обычно это число принимают равным

Создание гребенчатых фильтров с такой характеристикой представляет собой сложную техническую проблему.

В принципе, решение этой проблемы можно осуществить либо путем использования большого числа фильтров, каждый из которых настроен на одну из составляющих частоты повторения, либо путем использования компенсирующих устройств.

Первый способ является очень сложным, так как при больших скважностях приводит к необходимости использования такого большого числа фильтров, которое делает практически неосуществимым подобное устройство. Поэтому этот способ подавления применяется лишь в когерентных системах непрерывного излучения и когерентно-импульсных системах малой скважности.

Второй способ значительно проще в технической реализации, но уступает первому по степени подавления сигналов неподвижных целей.

Принцип действия компенсирующего устройства, упрощенная блок-схема которого представлена на рис. 8.23, сводится к следующему. На вход вычитающего устройства поступают видеоимпульсы как непосредственно с выхода приемника, так и через запоминающее или задерживающее устройство. Поскольку видеоимпульсы неподвижных целей имеют практически неизменную амплитуду, то при равенстве амплитуд прямых и задержанных импульсов можно получить их полную компенсацию. Амплитуда видеоимпульсов движущихся целей с течением времени меняется с частотой Допплера и, следовательно, амплитуды прямого и задержанного импульсов в общем случае не будут равны между собой. Поэтому после вычитания результирующие видеоимпульсы не будут равны нулю.

Рис. 8.23. Упрощенная блок-схема компенсирующего устройства: Пр - приемник, ЗУ - задерживающее устройство, ВУ - вычитающее устройство, И - индикатор

В зависимости от величины времени задержки τ_з различают череспериодную компенсацию, при которой время задержки равно периоду повторения, и кадровую компенсацию, при которой время задержки равно периоду вращения антенны.

Следует иметь в виду, что зависимость коэффициента передачи напряжения компенсирующих устройств от частоты весьма напоминает характеристику гребенчатого фильтра.

Действительно, в соответствии с формулой (8.5) напряжение на выходе приемника будет

Тогда напряжение на выходе вычитающего устройства при τ_з = Т_п будет

Как видим, на выходе вычитающего устройства будут только видеоимпульсы движущихся целей. Эти импульсы представляют собой знакопеременную последовательность импульсов, частота огибающей которой равна частоте Допплера, а амплитуда

Полученные зависимости дают представление о частотной характеристике компенсирующего устройства

Так как а

то

Эта характеристика близка к требуемой (рис. 8.22 и 8.24).

Рис. 8.24. Частотная характеристика устройства череспериодной компенсации

Таким образом, компенсирующее устройство по своему воздействию на спектр сигнала оказывается эквивалентным гребенчатому фильтру с бесконечным числом полос подавления.

Частоты f_д, для которых величина k = 0, определяются соотношением где n = 1, 2, 3, ...

Так как то при

сигнал на выходе компенсирующего устройства равен нулю. Это происходит оттого, что за время T_п цель проходит расстояния, кратные Следовательно, цели, движущиеся с радиальными скоростями, удовлетворяющими соотношению (8.8), не могут быть обнаружены. Такие скорости называются "слепыми" скоростями.

Не следует упускать из виду, что все вышесказанное справедливо только для случая, когда Если это условие не выполняется, то имеет место стробоскопический эффект, когда частота огибающей видеоимпульсов изменяется в зависимости от частоты Допплера по пилообразному закону (рис. 8.25).

Рис. 8.25. Зависимость частоты огибающей видеоимпульсов от частоты Допплера

В качестве устройств задержки могут быть использованы электрические, ультразвуковые и магнитострикционные линии задержки.

Электрические линии задержки применяются как с сосредоточенными, так и с распределенными постоянными. Время задержки в таких линиях равно

где L и С - погонные индуктивность и емкость,

l - длина линии.

Для наиболее распространенной линии в виде коаксиального кабеля величина задержки в микросекундах равна

где ε - диэлектрическая проницаемость изолирующего материала кабеля.

Электрические линии задержки употребляются для длительностей задержки, не превышающих 10 мксек, так как при больших задержках потребуется весьма большая длина кабеля. Так, например, для задержки τ_з = 100 мксек при ε = 2,25 потребуется кабель длиной в 20 км. Разумеется, что такая линия задержки не может быть использована.

В настоящее время в компенсирующих устройствах наибольшее распространение нашли ультразвуковые линии задержки, основным достоинством которых является большая величина задержки на единицу длины, так как ультразвук в среде распространяется со скоростью порядка 1200-6000 м/сек.

С помощью ультразвуковых линий задержки можно осуществить задержку сигналов даже на несколько миллисекунд.

Ультразвуковые линии состоят из передающего и приемного ультразвуковых преобразователей и звукопровода.

В качестве преобразователей в основном используются пластинки кристаллического кварца, причем наиболее часто используются продольные колебания ультразвуковой среды. В этом случае выбирают пластинки с X-срезом, для которых резонансная частота в мегагерцах равна

где d_x - толщина пластинки в миллиметрах.

Полоса пропускания линии задержки определяется полосой передающего и приемного преобразователей, которая, в свою очередь, зависит от их добротности

где n - номер гармоники возбуждения кварца,

ρ_кв - плотность кварца,

υ_кв - скорость ультразвука в кварце,

ρ_ср - плотность среды,

υ_ср - скорость ультразвука в среде.

Ширина диаграммы излучения пластинки преобразователя по первым минимумам излучения определяется из соотношения

где D - диаметр пластинки,

λ - длина волны в среде.

Звукопровод выполняется в различном оформлении в зависимости от материала или среды, в которых распространяется ультразвук.

В качестве материала звукопровода линий задержек применяются различные твердые и жидкие вещества.

Качество этих веществ оценивается главным образом по таким показателям, как скорость распространения ультразвука, затухание энергии при распространении, температурная зависимость скорости распространения и акустическое сопротивление.

Задержка сигнала в ультразвуковых линиях равна

где υ₀ - скорость ультразвука при температуре T₀,

α_υ - температурный коэффициент скорости,

l - длина звукопровода линии.

Так для ртутной ультразвуковой линии время задержки в микросекундах равно

Для уменьшения влияния изменения температуры могут применяться специальные термостаты, в которые помещаются линии задержки.

Конструктивно линии задержки с жидким звукопроводом представляют собой стальные трубы, наполненные ртутью или смесью воды с этиловым спиртом. На концах линии в специальной арматуре вмонтированы пьезокварцевые преобразователи (рис. 8.26, а). Кварц соприкасается с ртутью с обеих сторон. Для устранения многократных отражений торцы трубы скошены под углом 45°. Часто линии задержки выполняются в виде нескольких секций, соединенных уголковыми отражателями, как показано на рис. 8.26, б, что обеспечивает большую компактность.

Рис. 8.26. Ультразвуковые линии задержки с жидким звукопроводом: а - прямая линия, б - изогнутая линия

Линии задержки с твердым звукопроводом представляют собой бруски материала той или иной формы. Материалом в основном служат плавленый кварц или магниевые сплавы.

В этом случае кварцевые преобразователи приклеиваются к поверхности бруска.

Для уменьшения размеров звукопровода применяются бруски специальной формы (рис. 8.27).

Рис. 8.27. Ультразвуковые линии задержки с твердым звукопроводом: а - линия со сгибами, б - линия с пропилами

Компенсация сигналов неподвижных целей может осуществляться как компенсация по огибающей, когда осуществляется вычитание видеоимпульсов, и как компенсация по несущей частоте, когда осуществляется вычитание радиоимпульсов с учетом фазовых соотношений.

В настоящее время чаще всего используется компенсация по огибающей, так как в этом случае предъявляются менее жесткие требования к стабильности работы узлов системы компенсации.

Одна из возможных блок-схем устройства компенсации по огибающей приведена на рис. 8.28. Работа схемы сводится к следующему.

Рис. 8.28. Блок-схема устройства череспериодной компенсации: Пр - приемник, Г - гетеродин, Ат - аттенюатор, УЛЗ - ультразвуковые линии задержки, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, Д - детектор, ВУ - вычитающее устройство, У₁ - видеоусилитель двуполярных импульсов, ДД - двухтактный детектор У₂ - видеоусилитель однополярных импульсов

Видеоимпульсы, поступающие с выхода приемника, выполняют роль модулирующих импульсов. С этой целью они поступают на специальный гетеродин, работающий на частоте, равной резонансной частоте кварцевых преобразователей (обычно 10-30 Мгц). Полученные радиоимпульсы поступают затем в прямой и задерживающий каналы; так как в ультразвуковой линии задержки имеет место ослабление сигнала (обычно 60-80 дб), то для компенсации их в задерживающем канале предусматривается соответствующий усилитель промежуточной частоты. Такой же усилитель промежуточной частоты предусматривается и в прямом канале, с тем чтобы создать одинаковые условия прохождения сигналов. В противном случае возможна различная степень искажений сигналов в этих каналах, что приводит к неполной компенсации сигналов неподвижных целей. Для уменьшения уровня сигналов на входе усилителя промежуточной частоты прямого канала вводится аттенюатор, ослабление в котором равно ослаблению в ультразвуковой линии задержки. Сигналы с выходов прямого и задерживающего каналов детектируются и поступают на вычитающее устройство, на выходе которого будут при полной компенсации только видеоимпульсы движущихся целей.

В реальных схемах для лучшей компенсации сигналов неподвижных целей обычно предусматривается дифференциальная автоматическая регулировка усиления обоих каналов. Обычно детектирующие и вычитающие цепи совмещаются. В этом случае непосредственно с нагрузки детекторов снимается видеосигнал движущихся целей. Типичная схема такого устройства представлена на рис. 8.29.

Рис. 8.29. Принципиальная схема вычитающего устройства

Видеоимпульсы с выхода вычитающего устройства, представляющие собой серию двуполярных импульсов, после необходимого усиления поступают на двухтактный детектор, после которого эти импульсы становятся однополярными.

Компенсирующее устройство с ультразвуковыми линиями задержки обычно применяются при череспериодной компенсации. Применение таких компенсирующих устройств при кадровой компенсации затруднено. В этом случае в качестве устройств компенсации сигналов неподвижных целей могут использоваться потенциалоскопы.

Упрощенная схема такого устройства представлена на рис. 8.30.

Рис. 8.30. Упрощенная схема устройства компенсации на потенциалоскопе

Входные сигналы подаются в цепь сигнальной пластины, выходные сигналы снимаются с коллектора.

Электронный луч, сформированный прожектором, обегает мишень из диэлектрика по закону, задаваемому отклоняющей системой. Разность потенциалов между катодом и мишенью подбирается так, что при бомбардировке мишени первичными электронами луча происходит явление вторичной эмиссии. Поэтому в режиме записи при отсутствии входных сигналов поверхность диэлектрика оказывается заряженной до некоторого так называемого равновесного потенциала U₀.

Так как между коллектором и тормозящей сеткой существует ускоряющее поле, то все электроны, пролетевшие через нее, неизбежно попадают на коллектор. Тормозящая сетка служит для отсечки вторичных электронов, прошедших плоскость этой сетки.

Поскольку тормозящую сетку располагают на небольшом (несколько микрон) расстоянии от поверхности мишени, то подавляющее число вторичных электронов пролетает плоскость сетки и попадает на коллектор. Этим предотвращается явление перераспределения электронов, заключающееся в уменьшении равновесного потенциала из-за возвращения части вторичных электронов на мишень.

Если на сигнальную пластину подать видеосигналы, то за счет емкости между верхней поверхностью мишени и сигнальной пластиной потенциал поверхности мишени будет меняться одновременно с входными сигналами. В момент попадания электронного луча в данную точку мишени напряжение на мишени будет пропорционально напряжению сигнала. Потенциал, до которого зарядится эта точка мишени, будет по-прежнему равновесным. Таким образом, когда сигнал на входе исчезнет, данная точка окажется под потенциалом, отличным от равновесного. При непрерывной подаче сигналов и синхронном движении луча по мишени все точки мишени оказываются заряженными до напряжений, соответствующих поданным сигналам. Создается так называемый потенциальный рельеф, причем полярность этого рельефа обратна полярности входного сигнала.

При повторении всего цикла записи с другими входными сигналами потенциальный рельеф будет обязательно соответствовать новым значениям входных сигналов, так как потенциал каждой точки обязательно приводится при записи к равновесному потенциалу.

В каждом новом цикле записи в данной точке мишени происходит перезаряд со старого напряжения на новое, т. е. перезаряд, пропорциональный разности этих потенциалов.

Поскольку изменение зарядов в данной точке мишени или перезаряд происходит за счет вторичной эмиссии, то величина изменения напряжения пропорциональна току вторичных электронов на коллектор. На сопротивлении нагрузки создается падение напряжения, пропорциональное току коллектора, т. е. разности потенциалов данной точки мишени в двух соседних циклах записи.

Если последующий сигнал больше предыдущего по амплитуде, то требуется больший вторичный ток, чтобы достичь равновесного потенциала. Этот ток, протекая по сопротивлению нагрузки, создаст увеличенное падение напряжения. Потенциалоскоп является прибором, не меняющим фазы сигнала, или прибором положительной полярности.

Для правильной работы такой трубки необходимо, чтобы развертывающий луч в каждом цикле развертки точно повторял свой путь по мишени.

Потенциалоскопы, как и обычные электронные трубки, выполняются и с электростатическим, и с магнитным отклонением. Свойство трубок с той и другой конструкцией отклоняющих систем точно совпадает со свойствами обычных электронных трубок.

Тип развертки выбирают таким, чтобы максимально использовать поверхность мишени. Поэтому применяют растровую телевизионную развертку или спиральную.

Как видим, в потенциалоскопе совмещены функции задержки и компенсации сигналов.