8.9. Факторы, определяющие качество работы систем селекции движущихся целей [1961 Сайбель А.Г.

Качество работы систем селекции движущихся целей определяется наблюдаемостью сигналов движущихся целей на фоне помех, возникающих вследствие просачивания прямого сигнала передатчика на вход приемника, флюктуации сигналов неподвижных целей, модуляции сигналов, вызванной перемещением радиолуча при обзоре и нестабильностью параметров радиолокатора.

Помехи за счет просачивания прямого сигнала на вход приемника возникают из-за паразитной амплитудной и фазовой модуляции колебаний генератора высокой частоты.

Эта паразитная модуляция, в свою очередь, возникает из-за пульсации напряжений источников питания, микрофонного эффекта и шумов генераторных ламп. Следует отметить, что первые две причины в принципе могут быть устранены путем улучшения фильтрации напряжений источников питания и соответствующей амортизацией генераторных ламп. Что же касается третьей причины паразитной модуляции, то ее полностью устранить невозможно. Полагая в первом приближении спектр шумов генератора высокой частоты в пределах полосы пропускания приемника Δf равномерным, мощность помехи, возникающей за счет шумовой паразитной модуляции колебаний генератора высокой частоты, на входе приемника можно представить так:

где Р_г - мощность генератора высокой частоты,

β - коэффициент развязки приемного и передающего каналов,

γ - коэффициент, характеризующий шумовые свойства генераторных ламп, равный

Р_шг - мощность шумов генератора высокой частоты в пределах полосы пропускания приемника.

Как видим, мощность помехи, вызванной паразитной шумовой модуляцией, определяется как шумовыми свойствами генераторных ламп, так и величиной развязки приемного и передающего каналов радиолокатора. Для того чтобы не ухудшить существенно отношения сигнал/шум на входе приемника, мощность помехи, возникающей за счет паразитной шумовой модуляции генератора высокой частоты, должна быть меньше мощности внутренних шумов приемника. Это означает, что с учетом формулы (5.18)

Значение коэффициента γ обычно лежит в пределах 10^-14 - 10^-17.

Не следует упускать из виду, что рассматриваемая помеха влияет на наблюдаемость сигналов двужущихся целей только в радиолокаторах, работающих в режиме непрерывного излучения.

Для когерентно-импульсных радиолокаторов эта помеха практически не влияет на наблюдаемость сигналов.

Рассмотрим теперь влияние флюктуаций отраженных сигналов неподвижных целей на наблюдаемость сигналов движущихся целей. Большинство сигналов неподвижных целей представляет собой векторную сумму сигналов отдельных элементарных отражателей (скалы, стволы и ветви деревьев, листья и т. п.), число которых определяется разрешающей способностью радиолокатора и характером распределенных целей.

Сигналы от таких отражателей, как, например, скалы, здания, промышленные сооружения и т. п., являются сравнительно устойчивыми, в то время как сигналы, отраженные от ветвей и листьев деревьев, носят флюктуирующий характер. В общем случае сигнал сложной цели можно представить как векторную сумму постоянной и переменной составляющих. Закон распределения амплитуды переменной составляющей результирующего сигнала, как было показано в гл. 2, обычно весьма близок к релеевскому закону вследствие того, что число элементарных составляющих, формирующих переменную составляющую сигнала, велико, фазы их независимы и каждая из составляющих существенно меньше их суммы. Подавление постоянной составляющей обычно не вызывает серьезных технических затруднений, чего нельзя сказать о подавлении флюктуаций, поскольку спектр флюктуаций либо довольно близок, либо совпадает со спектром частот Допплера. Ухудшение наблюдаемости сигналов движущихся целей за счет флюктуаций сигналов неподвижных целей будет иметь место как в системах с непрерывным излучением, так и в импульсных системах. В первом случае ухудшается условие фильтрации сигналов движущихся целей, а во втором случае уменьшается степень компенсации сигналов неподвижных целей.

Для иллюстрации сказанного на рис. 8.34 изображены постоянные и переменные составляющие сигнала, отраженного от неподвижной цели, в двух соседних периодах повторения. Как видим, результирующие сигналы в соседних периодах повторения отличаются друг от друга, поэтому полной компенсации их быть не может.

Рис. 8.34. Составляющие сигнала сложной неподвижной цели в двух соседних периодах повторения

Эффективное значение разности результирующих сигналов в соседних периодах повторения будет

где u_эфф - эффективное значение переменной составляющей,

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости ветра и характера распределенной цели.

Из этой формулы видно, что помехи, возникающие за счет флюктуаций сигналов, отраженных от неподвижных целей, зависят не только от скорости ветра и характера протяженной цели, но и от параметров радиолокатора.

Рассмотрим теперь влияние на наблюдаемость сигналов движущихся целей модуляции сигналов, вызванной перемещением радиолуча при обзоре. В этом случае видеоимпульсы отдельной неподвижной цели на выходе приемника будут иметь вид, представленный на рис. 8.35. Если приемник имеет линейную амплитудную характеристику, то форма огибающей видеоимпульсов совпадает с формой пеленгационной характеристики радиолокатора. Максимальное изменение амплитуды видеоимпульса за период повторения происходит в той точке пеленгационной характеристики, где она имеет наибольшую крутизну. Это изменение равно

где U₀ - максимальное значение огибающей видеоимпульсов,

Рис. 8.35. Видеоимпульсы неподвижной цели на выходе приемника при перемещении радиолуча в режиме обзора

Из этой формулы следует, что интенсивность помех, вызванных перемещением радиолуча при обзоре, определяется как интенсивностью отраженного сигнала, так и параметрами радиолокатора.

Перейдем теперь к рассмотрению влияния на наблюдаемость сигналов движущихся целей нестабильности параметров когерентно-импульсных радиолокаторов. В соответствии с формулой (8.6) амплитуда видеоимпульсов на выходе приемника будет равна

φ - сдвиг фаз между напряжением отраженного сигнала и когерентным напряжением.

Если разность фаз φ от периода к периоду повторения будет изменяться, то амплитуда видеоимпульсов на выходе приемника будет также изменяться, причем

Максимальное относительное изменение амплитуды будет равно

Для случая, когда фазирование когерентного гетеродина и сравнение напряжения отраженного сигнала с когерентным напряжением осуществляются на промежуточной частоте (рис. 8.16, б), сдвиг фаз φ равен

где φ'_с - фаза отраженного сигнала на промежуточной частоте,

φ_кг - фаза сигнала когерентного гетеродина.

где φ_с - фаза отраженного сигнала на высокой частоте,

где ω_г - угловая частота колебаний генератора высокой частоты,

φ_0г - начальная фаза колебаний генератора высокой частоты,

φ₀ - фазовый сдвиг, возникающий при отражении,

где ω_мг - угловая частота колебаний местного гетеродина,

φ_0мг - начальная фаза колебаний местного гетеродина;

где ω_кг - угловая частота колебаний когерентного гетеродина, то

Если частоты колебаний генератора высокой частоты, местного гетеродина и когерентного гетеродина постоянны, то

Поскольку фазирование когерентного гетеродина осуществляется в каждом периоде повторения, то при t_R = const и φ₀ = const, разность фаз φ от периода к периоду повторения изменяться не будет. Следовательно, не будет изменяться амплитуда видеоимпульсов на выходе приемника [формула (8.12)], что в принципе позволяет осуществить полную компенсацию сигналов неподвижных целей.

Нестабильность частот генератора высокой частоты, местного и когерентного гетеродинов будет вызывать модуляцию видеоимпульсов сигналов неподвижных целей, в результате чего полная компенсация их получена быть не может. Это означает, что наблюдаемость сигналов движущихся целей будет ухудшена.

где ω_0г - начальное значение угловой частоты колебаний генератора высокой частоты,

α_г - скорость ухода угловой частоты колебаний генератора высокой частоты.

Тогда изменение разности фаз за период повторения

Аналогичным путем можно определить допустимые скорости ухода частот когерентного и местного гетеродинов

При q = 0,06, Т_п = 1000 мксек, t_{R макс} = 500 мксек получаем

Непостоянство длительности импульса радиолокатора будет также вызывать неполную компенсацию сигналов неподвижных целей. Действительно, если длительность импульса за период повторения изменится на Δτ, то на выходе вычитающего устройства будет нескомпенсированный остаток в виде импульса длительностью, равной Δτ, что ухудшит условия наблюдаемости движущихся целей, причем в первом приближении это ухудшение определится отношением

При череспериодной компенсации на ультразвуковых линиях задержки неравенство времени задержки периоду повторения также будет вызывать неполную компенсацию сигналов неподвижной цели. Действительно, если время задержки отличается от периода повторения на величину ΔТ, то на выходе вычитающего устройства будут два видеоимпульса различной полярности, длительность каждого из которых равна ΔТ, что ухудшает условия наблюдаемости движущихся целей, причем в первом приближении это ухудшение определяется отношением

получаем условие стабильности ультразвуковой линии задержки

Обеспечить такую стабильность времени задержки ультразвуковой линии весьма затруднительно. Но так как фактически это требование является требованием равенства времени задержки периоду повторения, то для обеспечения его можно воспользоваться синхронизацией генератора частоты повторения также при помощи ультразвуковой линии (рис. 8.36). В этом случае генератор пусковых импульсов (ГПИ) работает в режиме принудительной синхронизации.

Рис. 8.36. Блок-схема синхронизации генератора пусковых импульсов с помощью ультразвуковой линии задержки: ГПИ - генератор пусковых импульсов, Г - гетеродин, УЛЗ - ультразвуковая линия задержки, УПЧ₁ и УПЧ₂ - усилители промежуточной частоты, У - видеоусилитель, Д - детектор, ВУ - вычитающее устройство

Таким образом, наблюдаемость сигналов движущихся целей определяется отношением мощности сигнала Р_с к суммарной мощности перечисленных выше помех Р_п,

где Р_пг - мощность помехи, возникающей за счет шумовой паразитной модуляции колебаний генератора высокой частоты,

Р_пф - мощность помехи, возникающей за счет флюктуаций сигналов, отраженных от неподвижных целей,

Р_по - мощность помехи, вследствие перемещения радиолуча при обзоре пространства,

Р_пн - мощность помехи, возникающей из-за нестабильности параметров радиолокатора.

Необходимо иметь в виду, что напряжения, а следовательно, и мощности помех, возникающих как за счет флюктуаций сигналов неподвижных целей, так и за счет перемещения радиолуча при обзоре, прямо пропорциональны величине сигнала неподвижной цели [формулы (8.10) и (8.11)].

Это обстоятельство позволяет уменьшить влияние указанных помех на наблюдаемость сигнала движущейся цели путем применения приемника с логарифмической амплитудной характеристикой. Действительно, изменение амплитуды сигнала неподвижной цели на входе приемника

где U_вх - амплитуда входного сигнала неподвижной цели,

q - коэффициент флюктуаций входных сигналов неподвижной цели,

Тогда изменение амплитуды сигнала на выходе приемника

Наблюдаемость сигналов движущихся целей будет наилучшей при

Значение постоянной интегрирования С может быть найдено из условий U_вых = 0, когда U_вх = 0.

Такую логарифмическую амплитудную характеристику можно получить либо путем сложения сигналов с выходов нескольких каналов УПЧ, ограничивающих эти сигналы на различных уровнях, либо путем шунтирования контуров УПЧ диодами с различными напряжениями запирания, либо, наконец, путем сложения сигналов с каскадов УПЧ с использованием линий задержки.

Изменение сигналов неподвижных целей, вызванное перемещением радиолуча при обзоре, можно уменьшить путем использования ограничения в УПЧ. Разумеется, что в этом случае когерентное напряжение необходимо подавать после каскадов с ограничением. Кроме того, эти изменения можно уменьшить путем использования мгновенной автоматической регулировки усиления.