Измерение расстояния до цели

Чтобы определить расстояние до обнаруженного объекта (цели), необходимо знать время запаздывания отраженного радиоимпульса относительно излученного.

Время запаздывания Δ t зависит от расстояния Д до отражающего объекта и скорости с распространения радиоволн. Так как отраженный импульс проходит двойной путь (от радиолокационной станции до объекта и обратно), то это время увеличивается в два раза

Если измерить время запаздывания отраженного импульса, то можно определить расстояние до отражающего объекта. Это расстояние из приведенной выше формулы равно

При запаздывании отраженного импульса относительно излученного на одну микросекунду расстояние до отраженного объекта

Для измерения времени запаздывания отраженного импульса, а, следовательно, и расстояния до обнаруженной цели пользуются электронно-лучевыми трубками. В простейшем случае для этого применяют электронно-лучевую трубку с электростатическим управлением и линейной разверткой луча.

Для измерения дальности в радиолокации наибольшее распространение получил импульсный метод. Измерение дальности основано на постоянстве скорости и прямолинейности распространения радиоволн, которые выдерживаются в реальных условиях с достаточно большой точностью. Измерение дальности сводится к фиксации моментов излучения зондирующего и приема отраженного сигнала и измерению временного интервала между этими моментами.

Для обеспечения данного метода используется импульсная модуляция зондирующего сигнала.

Рис. 3. Принцип импульсной модуляции

а – модулирующие импульсы; б − зондирующие импульсы

Рассмотрим работу простейшей импульсной дальномерной РЛС.

Рис. 4.Структурная схема простейшей импульсной РЛС (дальномера)

 

В РЛС используется одна антенна как для передачи, так и для приема. Импульсный передатчик вырабатывает радиоимпульс длительностью τ_и, который через антенный переключатель (переключатель «прием—передача») попадает в антенну и излучается. Приемник в этот момент отключается на время τ_и от антенны и только часть энергии импульса (прямой сигнал) «просачивается» на вход приемника.

Отраженные импульсы, воспринимаемые антенной, через тот же антенный переключатель в паузах между зондирующими импульсами поступают в приемник.

Время запаздывания t _з отраженного импульса относительно зондирующего (характеризующего начальный отсчет времени) измеряется с помощью оконечного устройства, например визуального индикатора.

Рис. 5. Временное положение отраженного импульса при отсутствии шумов

 

Время запаздывания отраженного импульса

,

где D — расстояние между РЛС и целью;

— скорость распространения радиоволн.

 

Таким образом, дальность до цели:

,

для этого достаточно измерить время запаздывания τ_з.

Определение дальности наиболее просто осуществляется с помощью электронно-лучевого индикатора с амплитудной отметкой цели. Для этого с помощью горизонтально отклоняющего напряжения пилообразной формы производится периодическая развертка луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с постоянной скоростью, т. е. создается линейная шкала времени, которую можно проградуировать в единицах дальности. Такая развертка называется временной или разверткой дальности.

Рис. 6. Измерение времени запаздывания с помощью ЭЛТ

 

3. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

 

Пусть РЛС облучает цель электромагнитной энергией частотой f ₀. Если цель неподвижна (Цн), то в каждом периоде облучения время между отраженными сигналами остается постоянным и равным периоду повторения Тп. Если же цель движется (напр., приближается), то в каждом периоде облучения время между отраженными сигналами уменьшается на величину Δt, зависящую от скорости, что при постоянной скорости света соответствует увеличению частоты.

Рис. 7. Уменьшение времени между отраженными сигналами

 

Таким образом, в случае приближения цели длина отраженной волны уменьшается, в случае удаления – увеличивается. То есть, в случае приближения цели частота отраженной электромагнитной энергии увеличивается, в случае удаления – уменьшается. Эффект изменения частоты в зависимости от скорости объекта относительно РЛС называется эффектом Доплера (Христиан Доплер – австрийский физик, открывший в 1842 рассматриваемый эффект).

Найдем выражение для частоты Доплера. Пусть РЛС излучает колебания

(1)

 

Рис. 8. Облучение движущейся цели

 

Отраженный от неподвижной цели и запаздывающий на время t _з сигнал на входе приемника имеет вид

(2)

где t _з – время распространения сигнала до цели и обратно.

, (3)

где D – дальность до цели.

Если цель приближается, то дальность до цели равна:

(4)

где V _р – радиальная скорость цели, .

Подставляя данные выражения в (2), получаем:

В данном выражении величина есть частота отраженного сигнала. Как видно, при приближении цели эта частота больше, чем частота излученного сигнала. При удалении цели, как видно из (4), частота отраженного сигнала меньше, чем частота излученного сигнала.

Величина , на которую изменяется частота излученного сигнала, называется частотой Доплера.

Т.о., частота Доплера равна

Или учитывая, что

,

получаем

.

При сближении цели и PJIC радиальная скорость цели больше нуля и поэтому . Величина именуется доплеровской частотой или доплеровским сдвигом частоты.

Таким образом, при приближении цели V _r > 0, .

При удалении цели V _r < 0, .

 

Фазовый детектор – это устройство, формирующее постоянное напряжение, величина которого зависит от разности фаз входного и опорного колебаний.

В качестве опорного колебания используется высокостабильное гармоническое колебание .

Напряжение на выходе фазового детектора равно:

.

Как видно из выражения, если фазы входного сигнала и опорного напряжения равны (напряжения синфазны), то напряжение на выходе фазового детектора максимально и положительно. Если сдвиг фаз равен π (напряжения противофазны), то напряжение на выходе фазового детектора максимально и отрицательно. Если разность фаз составляет ±90^о, то напряжение на выходе фазового детектора равно нулю.

Рис. 9. Принципиальная схема фазового детектора

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

На лекции рассмотрены основные понятия и определения, а также виды радиолокации. Изучены импульсный метод измерения дальности. Изучен эффект Доплера.

Импульсный метод измерения дальности получил широкое применение в радиолокации. В частности данный метод применен в РЛС изд. 2С6М. На основе эффекта Доплера построены системы защиты от пассивных помех. Более подробно системы помехозащиты будут изучены на 3 курсе.

 

Разработал:

доцент кафедры, КТН, доцент

Г. Рудианов