Тема определяне на ъгловите координати на източниците на радиотоплинни сигнали

Измерването на амплитудата при пеленговане на целите може да бъде осъществено по два метода – метод на максимума на амплитудата и метод на сравняване на амплитудите.

За сравнителна оценка на двата метода ще бъдат използвани количествените показатели ПЕЛЕНГАЦИОННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ, СЛУЧАЙНА ГРЕШКА НА ПЕЛЕНГОВАНЕ И КОЕФИЦИЕНТ НА ИЗПОЛЗВАНЕ НА ЕНЕРГИЯТА НА СИГНАЛА.
*Под понятието ПЕЛЕНГАЦИОННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ се разбира зависимостта:

(6.1) ,

където:

• 
  U_ИЗХ(φ) – зависимост на изходното напрежение на пеленгатора от ъгловата координата φ;
  
• 
  U_ИЗХ.MAX – максимално значение на изходното напрежение;
  
• 
  φ₀ – значение на ъгловата координата, за която се определя пеленгационната чувствителност.
  

(6.2) ,

той ще придобие вида

(6.3) ,

т.е. пеленгационната чувствителност на метода за пеленгация в дадено направление φ₀ се дефинира количествено като значение на скоростта на изменение на пеленгационната характеристика в същото това направление.
*СЛУЧАЙНАТА ГРЕШКА на пеленгация е числено равна на ъгловото отклонение от направлението на истинския пеленг на целта, предизвикващо изменение на изходното напрежение, равно на средноквадратичното значение на напрежението на шума:

(6.4) .

(6.5) .

Когато целта е с пренебрежително малки ъглови размери по сравнение с ширината на диаграмата на насоченост (точкова цел) и се намира на оста на диаграмата на насоченост (фиг. 6.1), радиометърът фиксира максималното значение на антенната температура и на неговия изход се изработва максимално изходно напрежение:

(6.6) U_{ИЗХ МАХ} = к . Т_ац . F(φ – φ₀) = к . Т_ац . F(0),

където:

При ъглово отклонение от истинския пеленг φ = φ – φ₀, изходното напрежение ще бъде:

(6.7) U_ИЗХ(φ – φ₀) = к . Т_ац . F(φ – φ₀).

Като се вземат предвид изрази (6.6) и (6.7), веднага се получават изразите за:

• 
  пеленгационната характеристика, съгласно (6.2):
  

• 
  пеленгационната чувствителност, съгласно (6.3):
  

• 
  коефициента на използване на сигнала, съгласно (6.5):
  

В литературата е широко разпространена и използвана апроксимацията на диаграмата на насоченост по мощност с камбанообразна крива от вида:

(6.11) ,

където  φ_0,5 е ширината на диаграмата на насоченост по мощност на ниво 0,5 от максималната мощност.

След заместване на (6.11) в (6.8) и (6.9) за пеленгационната характеристика и пеленгационната чувствителност се получава съответно:

(6.12) ;

(6.13)` .

На фиг. 6.2 са показани графичните зависимости на пеленгационната характеристика и пеленгационната чувствителност от текущото значение на ъгловата координата (пеленга) на целта при амплитудна пеленгация по метода на максимума.

От (6.13) и фиг. 6.1 ясно се вижда, че пеленгационната чувствителност в областта около истинския пеленг на целта е практически сведена до нула. От това следва и слабата пригодност на метода на максимума за определяне на пеленга на целта с необходимата висока точност.

Що се касае до грешката на пеленговане, то тя се определя от

(6.14) ,

откъдето се вижда, че тя не е особено критична към отношението сигнал/шум.

В заключение може да се обобщи, че предимствата на метода на максимума са неговата простота и максимално използване на енергията на приетия сигнал. Главният му голям недостатък е слабата пеленгационна чувствителност около значението на истинския пеленг.

ПО МЕТОДА НА СРАВНЯВАНЕ НА АМПЛИТУДИТЕ

Инструменталната точност на измерване на ъгловите координати може да бъде повишена, ако амплитудната пеленгация се осъществява не по метода на максимума, а чрез сравняване на сигналите, получени от две диаграми на насоченост, изместени симетрично спрямо равносигналното направление (фиг. 6.3).

Сравнението се извършва чрез изваждане на амплитудите (големината) на двата сигнала. Получената при това разликова характеристика представлява пеленгационната характеристика.

Способността на радиометъра да изменя величината на разликовия сигнал при изменение положението на целта спрямо равносигналното направление вече е дефинирано като ПЕЛЕНГАЦИОННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ на амплитудния пеленгатор, работещ по метода на сравняване. Нека φ_min е минималният ъгъл на отклонение на целта от равносигналното направление. Тогава:

(6.15) .

Следва да се отбележи, че в (6.15) тук нормирането на разликовия сигнал се извършва спрямо значението на сумарната характеристика в направлението на измерване:

F(φ_ИЗМ –  φ_min) + F(φ_ИЗМ +  φ_min) ≈ 2 . F(φ_ИЗМ).

Разлагането в ред на Тейлор на съставните на числителя в дясната част на (6.15) дава следния резултат:

(6.15)

Ъгълът на изместване трябва да се подбере така, че да осигури максимално значение на пеленгационната чувствителност в областта на равносигналното направление. Това може да се осигури, ако за дадения тип антена равносигналното направление се пресича от двете диаграми на насоченост в тези точки от тях, в които стръмността им е максимална. Това означава, че оптималният ъгъл на изместване трябва да осигурява за равносигналното направление максимална скорост на изменение на пеленгационната характеристика. В този случай, по определение, се постига максималната пеленгационна чувствителност (extr на първата производна на пеленгационната характеристика). Последното логично води до нулиране на втората производна в (6.15).

За определяне на оптималното значение на ъгъла на изместването е необходимо да се диференцира двукратно пеленгационната характеристика F(φ_{ИЗМ.ОПТ}), резултатът да се приравни на нула и да се изчисли φ_{ИЗМ.ОПТ}.

Ако диаграмата за насоченост се апроксимира с функцията:

(6.17) ,

то

(6.18) ,

(6.19) .

Оптималното значение на ъгловото изместване се определя от условието:

(6.20) .

Решаването на (6.21) води до резултата:

(6.21) 2 . φ_{ИЗМ.ОПТ} = 0,85 . φ_0,5.

На фиг. 6.5 е показана зависимостта на нормираната пеленгационна чувствителност от отношението на ъгъла на изместване на пеленгационната характеристика и ширината на диаграмата на насочване по мощност на ниво 0,5. Вижда се, че при изпълнение на (6.21) пеленгационната чувствителност на амплитудната пеленгация по метода на сравняване е максимална.

Също така се вижда, че с нарастване на ъгъла на изместване рязко се влошава коефициентът на използване на енергията на сигнала, което се обяснява с намаляване на взаимно припокритата площ на двете диаграми на насоченост.

В такъв случай изборът на ъгъла на изместване би трябвало да се основава на компромис между противоречивите изисквания за максимална пеленгационна чувствителност и приемлива стойност на коефициента на използване на енергията на сигнала.

На фиг. 6.6 е показана едноканална схема на радиотоплопеленгатор за амплитудна пеленгация по метода на последователното сравняване на сигналите.

Приемането на сигнала от целта се извършва при две положения на диаграмата на насоченост. Комутаторът последователно превключва антената към входа на приемника и едновременно с това и входа на инерционното устройство за изваждане (сравнение) – ИУИ(С), което отделя разликовия сигнал. За нормиране на разликовия сигнал чрез делението му на сумарния сигнал се използва инерционна система за автоматично регулиране на усилването (ИАРУ), която управлява усилването на приемника по закона:

(6.22) ,

където u_C1 и u_C2 са входните сигнали от двете антени, постъпващи последователно във времето на входа на приемника.

На изхода на ИУИ(С) се образува разликата:

(6.23) ,

която е пропорционална на пеленгационната характеристика на метода за пеленгация с нормиране спрямо сумарната характеристика.

Недостатък на едноканалната схема е, че при пеленговането могат да възникнат грешки заради флуктуацията на сигнала. Особено опасни са флуктуациите, следващи с честотата на комутация.

При двуканалната схема (фиг. 6.7) всяко изменение на приемания сигнал в еднаква степен влияе на двата канала. Усилването се управлява от система за бързодействащо АРУ (БАРУ). Устройството за изваждане (сравнение) е безинерционно [БУИ(С)]. Така се извършва едновременно сравняване на сигналите и резултатът на сравнение се образува бързо, например за времето на един импулс (за пеленгаторите в активната радиолокация). Оттук идва и названието на системите за пеленгация по метода на сравняване на сигналите – МОНОИМПУЛСНИ.


2. ФАЗОВИ МЕТОДИ ЗА РАДИОТОПЛОПЕЛЕНГАЦИЯ

При отсъствието на опорни сондиращи сигнали е принципно невъзможно измерването на абсолютното значение на фазата на приеманите сигнали. От друга страна, не съществува каквато и да е зависимост между значението на фазата на сигнала и направлението към източника на този сигнал. Поради тези обстоятелства както в активната радиолокация, така и в пасивната радиолокация (в т. ч. радиотоплолокацията) за измерване на ъгловите координати се използва само МЕТОДЪТ НА СРАВНЯВАНЕ НА ФАЗИТЕ.

Както и при амплитудните методи за пеленгация, сравняването на фазите може да се извършва последователно или едновременно (паралелно).

Поради трудностите, с които е свързано реализирането на устройства със запомняне на фазата, фазовото пеленговане с последователно сравняване на фазите не е намерило широко приложение. В този смисъл оптимална се оказва обработката на сигналите при фазовата пеленгация по метода на паралелното сравняване на фазите.

На фиг. 6.8 е показана опростената структурна схема на фазов пеленгатор с паралелно сравняване на фазите.

Както се вижда, двуканалното приемно устройство представлява корелационно приемно устройство (корелационен радиометър).

Фиг. 6.8. Фазов пеленгатор с паралелно сравняване на фазите

Тогава напрежението на изхода на изхода на линейната част на всеки от двата канала на пеленгатора U₁(t) и U₂(t) може да бъде представено във вида:

(6.24) ,

където:

• 
  F_H1, F_H2 – нормирани диаграми на насоченост по мощност на двете антени;
  
• 
  Д₁, Д₂ – разстояния от източника до фазовите центрове на двете антени;
  

(6.25) Х,

където:

Д = Д₁ – Д₂ ≈ b . sinφ;

При анализиране на физическите величини в (6.25) с голяма степен на достоверност и при определени условия могат да бъдат допуснати следните ограничения:

1. Базовото разстояние е пренебрежително малко в сравнение с разстоянието от антената до източника:

b << Д₁, b << Д₂; (6.26)

2. Нормираните диаграми на насоченост на двете антени са идентични:

3. Налице е пълна корелация на процесите на изменение на напрегнатостта на полето в близост до двете антени, при което:

и

(6.28) ,

След направените допускания изразът за изходното напрежение (6.25) добива вида:

(6.29) .

т.к. ,

то усредненото значение на напрежението на изхода на умножителя ще зависи само от направлението към източника (от пеленга на целта):

(6.30) .

Чрез елементарни математически преобразувания могат да бъдат получени изразите за пеленгационната характеристика

(6.31)

и пеленгационната чувствителност

(6.32)

Както се вижда от (6.32), пеленгационната чувствителност се определя от диаграмата на насоченост, но много силно зависи от отношението на големината на базата и централната дължина на вълната, на която е настроен пеленгаторът, т.е. от физическите размери на антената. Проблемът тук е, че с увеличаване на базисното разстояние чувствителността на пеленгатора намалява, но при b/λ > 0,5 пеленгационната характеристика става нееднозначна.

Работата на представения фазов радиотоплопеленгатор може да се разглежда и от друга гледна точка. Умножителят, използван в него, може да бъде реализиран като корелационен радиометър, изчисляващ функциите на взаимната корелация на сигналите, приемани от двете антени в една и съща плоскост. Тази особеност открива възможност за създаване на фазова пеленгационна система с изкуствено стеснени диаграми на насоченост (фиг. 6.9).

Както се вижда, диаграмите на насоченост са тесни в едната плоскост и широки в другата, като двете плоскости са взаимно перпендикулярни (напр. азимут и ъгъл на място в сферична координатна система).

Ще бъде разгледан процесът на пеленговане при наличие на няколко източника. Антена 1 приема излъчването от източници 3, 5, 6 и 7, а антена 2 – от източници 1, 2, 3 и 4.

Съответно на изхода на умножителя, след усредняване на резултата, ще се получи напрежението:

U_ИЗХ(t) = [U₁(t) + U₂(t) + U₃(t) + U₄(t)] . . [U₃(t) + U₅(t) + U₆(t) + U₇(t)] =

(6.33) = U₃(t) . U₃(t),

т.к. функциите на взаимна корелация на които и да са две напрежения, съответстващи на всяка двойка източници, са тъждествено равни на нула поради взаимната независимост на излъчванията на източниците. По този начин еквивалентната диаграма на насоченост ще бъде ограничена в областта на пространството, общо за диаграмите на насоченост на двете антени (защрихованата част).

В сравнение с едноантенния амплитуден пеленгатор със симетрична диаграма на насоченост, площта на антените на корелационния пеленгатор е по-малка. По този начин се постига значително намаляване на габаритите (а оттам и на теглото) на антенната система, което е особено важно за радиотоплопеленгаторите, разположени на подвижни обекти (кораби, самолети, изкуствени спътници и др.).

Конфигурацията на антените на корелационния пеленгатор може да бъде най-различна. В радиоастрономията е разпространено кръстообразно разположение на две еднакви линейни антени, т. нар. Кръст на Милс. По-компактна е Т-образната система от две антени с различна дължина – Кръст на Християнсен. Възможни са и по-сложни системи, една от които е Интерферометър на Раил.

Споменатите три вида конфигурации на антенни системи са показани схематично на фиг. 6.10.

Освен споменатите фазови пеленгационни системи от типа кръст са възможни и други типове фазови пеленгационни системи с повишена разрешаваща способност.