Контрольные вопросы

1. Перечислить основные характеристики РПУ и качественно оценить их влияние на характеристики средства радиолокации.

2. Изобразить спектр периодической последовательности прямоугольных радиоимпульсов.

3. Качественно оценить влияние длительности импульса и периода следования импульсов на форму спектра периодической последовательности прямоугольных радиоимпульсов.

4. Изобразить спектр одиночного прямоугольного радиоимпульса и показать влияние параметров радиоимпульса на форму спектра.

5. Изобразить спектр прямоугольной пачки прямоугольных радио импульсов.

6. Как изменится форма АЧС, если заменить прямоугольную пачку прямоугольных радиоимпульсов на пачку с колокольной огибающей?

7. Как изменится форма АЧС прямоугольной пачки прямоугольных радиоимпульсов, если изменить период следования импульсов в пачке?

8. Как изменится форма АЧС прямоугольной пачки прямоугольных радиоимпульсов, если изменить длительность пачки?

9. Как изменится форма АЧС прямоугольной пачки прямоугольных радиоимпульсов, если изменить длительность радиоимпульсов?

10. Перечислить основные частотные характеристики спектра пачки прямоугольных радиоимпульсов и показать их связь с временными параметрами пачки.

1.2. Исследование частотно-временных характеристик широкополосных сигналов

1.2.1. Теоретическая часть

1.2.1.1. Общие сведения

Широкополосными (сложными) сигналами называют сигналы, база которых >1.

Основными преимуществами широкополосных сигналов являются:

значительное повышение энергии зондирующего сигнала за счет увеличения его длительности при сохранении высокой разрешающей способности по дальности и точности ее измерения;

возможность работы нескольких средств радиолокации в одном и том же частотном диапазоне без сущ0ественного взаимного влияния.

Для расширения спектра сигнала с точки зрения оптимальности энергетического режима работы передатчика наиболее приемлемой является частотная (фазовая) модуляция.

В средствах радиолокации с частотно-модулированным сигналом возможно применение зондирующих импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), частотной модуляцией по V-образному закону, нелинейным законом изменения частоты, частотной манипуляцией.

Далее подробнее рассмотрим сигналы с линейной частотной модуляцией и устройства их формирования. У сигналов с ЛЧМ мгновенная частота заполнения меняется по линейному закону.

Достоинство сигналов с ЛЧМ – сравнительная простота технической реализации устройств, обеспечивающих их формирование и оптимальную фильтрацию.

Недостатки:

взаимная связь параметров сигнала, характеризующих дальность и доплеровский сдвиг, приводящая к неоднозначности измерения дальности при неизвестной скорости воздушного объекта и наоборот;

появление дополнительных потерь за счет рассогласования частотной характеристики линейной части приёмника и спектра отраженного сигнала из-за необходимости использования весовой обработки для уменьшения уровня боковых лепестков сжатого импульса.

Неоднозначность дальность-скорость проявляется следующим образом. Доплеровское смещение частоты отраженного сигнала вызывает смещение во времени выходного импульса оптимального фильтра приёмника. Т. к. доплеровская частота заранее неизвестна, то смещение сжатого импульса по времени приводит к скоростной ошибке определения времени запаздывания отраженного сигнала , где:

–доплеровское смещение частоты отраженного сигнала;

–длина волны;

–радиальная скорость воздушного объекта.

Ошибка определения времени запаздывания приводит к ошибке измерения дальности ( )

,

где c-скорость распространения электромагнитной волны (скорость света).

Из последнего соотношения видно, что при всех прочих равных условиях ошибка измерения дальности при использовании ЛЧМ сигналов тем меньше, чем больше девиация (изменение) частоты ( ) в пределах импульса (при больших значениях произведения ширина спектра ( ) ЛЧМ сигнала примерно равна девиации частоты )

В РЛС с частотной модуляцией зондирующих сигналов передающее устройство практически всегда выполняется по схеме задающий генератор (ЗГ) – усилитель мощности (УМ). Это связано с необходимостью обеспечения жестких требований к стабильности закона изменения чистоты ЛЧМ сигнала.

Упрощенная структура схема РПУ аэродромного средства радиолокации АОРЛ-85 приведена на рис. 6.1.

РПУ первичного канала АОРЛ-85 предназначено для широкополосного усиления радиоимпульсов с внутриимпульсной линейно-частотной модуляцией, поступающих на передатчик первичного канала из устройства преобразования и фильтрации (УПФ).

УПФ формирует высокочастотной ЛЧМ сигнал длительностью 29 мкс и мощностью не менее 5 мВт. Момент формирования ЛЧМ сигнала в УПФ определяется импульсом запуска длительностью 0,5 мкс

Формирование сложного ЛЧМ сигнала в УПФ осуществляется в несколько этапов. Из колебаний опорного генератора (автогенератор когерентный) вырезается радиоимпульс ( мкс, МГц), который после усиления используется для возбуждения ультразвуковой дисперсионной линии задержки (ДУЛЗ). Опорные колебания поступают также на фазовые детекторы системы селекции движущихся целей (СДЦ).

На выходе ДУЛЗ будет сформирован радиоимпульс с ЛЧМ и длительностью 29 мкс. Этот сигнал имеет девиацию частоты МГц при средней частоте 20 МГц.

Начальная и конечная части импульса длительностью по 2,5 мкс имеют постоянные частоты заполнения соответственно нижней 19,5 МГц и верхней 20,5 МГц.

Формирование ЛЧМ сигнала на рабочих частотах РПУ происходит путем двойного преобразования по частоте ЛЧМ сигнала с выхода гетеродина - возбудителя в УПФ с сигналом гетеродина приемного устройства. Для преобразования по частоте используются колебания на вспомогательной частоте 167 МГц, которые получаются за счет утроения частоты задающего кварцевого генератора, входящего также в состав УПФ.

Высокочастотный ЛЧМ сигнал с мкс поступает на предварительный усилитель мощности (ПУМ), который содержит два каскада усиления. Первый каскад выполнен в микрополосковом исполнении на СВЧ-транзисторе, а второй – на лампе бегущей волны (ЛБВ). Таким образом, на выходе ПУМ ЛЧМ сигнал достигает мощности в импульсе до 5кВт при длительности мкс.

Для формирования такого ЛЧМ радиоимпульса необходимо отсечь начальный и конечный участки ЛЧМ сигнала с мкс.

Тем более, что начальный и конечный участки имеют постоянную частоту заполнения, равную нижней и верхней частотам в радиоимпульсе.

Для этого в передатчике (в ПУМ) при формировании модулирующего импульса ЛБВ используются два импульса «Запуск 1» и «Запуск 2». Оба эти импульсы имеют жесткую привязку к импульсу запуска УПФ и формируют фронт и спад соответственно модулирующего импульса.

С выхода ПУМ СВЧ импульсы с ЛЧМ через разветвляющее устройство (на рис. 6.1. не показано) поступают на выходной усилитель мощности, собранный на амплитроне. С выхода ВУМ ЛЧМ сигнал через развязывающее устройство (РУ) поступает к антенне. В качестве РУ используют ферритовый рециркулятор, который служит также антенным переключателем и подключает передатчик к антенне во время излучения зондирующего сигнала и антенну – к приемному тракту в оставшуюся часть времени в каждом периоде повторения.

Графики, иллюстрирующие принцип работы многокаскадного РПУ, формирующего ЛЧМ сигналы, представлены на рис. 6.2.

Запуск приборов СВЧ-ЛБВ и амплитрона имеет систему блокировки, предотвращающую их самовозбуждение при отсутствии высокочастотного входного сигнала.

Рис. 6.2. Графики, иллюстрирующие напряжения и законы изменения частоты ЛЧМ сигнала на элементах РПУ

Основные характеристики радиопередающего устройства широкополосным сигналом.

Средняя несущая частота (f_c) – средняя частота (частота для перестраиваемых по частоте РПУ), на которой формируется ЛЧМ сигнал.

Длительность зондирующего сигнала ( ) – в средствах радиолокации с широкополосным зондирующим сигналом определяет в основном энергию излучаемого сигнала и, следовательно, помехозащищенность от активных помех и дальность обнаружения воздушных объектов.

Период (T_n) следования зондирующих сигналов – выбирается исходя из требований к дальности обнаружения воздушных объектов.

Девиация частоты ( ) зондирующего сигнала – выбирается исходя из требований к точности измерения дальности до воздушных объектов и разрешающей способности по дальности, а также соблюдения требований к чувствительности приемного тракта.

Максимальная нелинейность ( , %) – нелинейность закона изменения частоты ЛЧМ сигнала.

Относительная нестабильность частоты зондирующего сигнала

, где – абсолютная нестабильность частоты,

–реальная частота зондирующего сигнала.

Импульсная мощность ( ) РПУ.

Средняя за период мощность ( ) РПУ.

Энергия зондирующего сигнала:

Спектр зондирующего сигнала. Форма спектра и его параметры позволяют оценить качество работы РПУ.

Для оценки спектра ЛЧМ сигнала рассмотрим радиоимпульс с огибающей прямоугольной формы. Будем полагать, что частота заполнения линейно нарастает от начала к концу импульса. Конкретизируя математическую модель сигнала, предположим, что его длительность равна , а точка t=0 соответствует середине импульса (см. рис. 6.3.).

Рис. 6.3. Графики, иллюстрирующие закон изменения частоты ЛЧМ сигнала.

Мгновенная частота сигнала изменяется во времени по закону , где

–несущая частота сигнала,

–скорость изменения частоты во времени, имеющая размерность с^-2.

, а – девиация частоты.

Полная фаза сигнала .

Итак, будем называть радиоимпульс с линейной частотной модуляцией, или ЛЧМ радиоимпульсом, сигнал, представленный следующей математической моделью:

(6.1)

Спектр частотно–модулированного сигнала, как известно, имеет сложную структуру из-за перекрестного влияния отдельных спектральных составляющих. Все это в полной мере относится и к спектру ЛЧМ импульса.

На основании математической модели ЛЧМ сигнала запишем выражение для спектральной плотности одиночного ЛЧМ импульса:

(6.2)

Соотношение (6.2) получено на основании теоремы о модуляции. Анализ этого соотношения показывает, что первый интеграл описывает часть спектральной плотности с резко выраженным максимумом в области положительных частот, близких к . Второй интеграл соответствует части спектральной плотности, находящейся в основном при .

На практике интересуются исключительно случаем, когда эффект перекрытия спектров, концентрирующихся при положительных и отрицательных частотах пренебрежительно мал. Это связано с тем, что полная девиация частоты за время длительности импульса очень мала по сравнению с несущей частотой:

Поэтому в выражении (6.2) следует вычислять только первый интеграл, дающий спектральную плотность при . Спектр в области отрицательных частот может быть получен на основании свойств преобразования Фурье для действительных сигналов . С учетом сказанного, дополнив аргумент до полного квадрата, получим

(6.3)

Заметим, что при дополнении аргумента экспоненциальной функции до полного квадрата прибавить и отнять и умножить и разделить на два слагаемых.

Далее удобно перейти от переменной t к новому аргументу X, выполнив замену переменной

.

При этом ;

;

Проводя дальнейшие вычисления, находим

(6.4)

Интеграл в (6.4) сводится к комбинации хорошо известных специальных функций–интегралов Френеля (интегралы Френеля широко используются при решении задач, связанных с дифракцией волн):

; .

Применив формулу Эйлера для экспоненты в подынтегральном выражении (6.4) и интегралы Френеля, получаем окончательную формулу для вычисления спектральной плотности ЛЧМ сигнала:

(6.5)

Если представить (6.5) в показательной форме , то модуль (амплитудный спектр) будет равен

, (6.6)

а фазовый спектр состоит из квадратного слагаемого и остаточного члена

(6.7)

Численный анализ полученных выражений (6.6) и (6.7) свидетельствует о том, что характер частотной зависимости модуля и фазы спектральной плотности прямоугольного ЛЧМ импульса полностью зависит от базы сигнала .

В практически важных случаях всегда выполняется условие B>>1. Спектр таких ЛЧМ сигналов с большой базой имеет ряд особенностей. Во-первых, модуль спектральной плотности практически постоянен в пределах полосы частот шириной с центром в точке (см. рис. 6.4)

Рис. 6.4 Графики АЧС и ФЧС ЛЧМ сигнала и АЧС прямоугольного радиоимпульса равной длительности

Во-вторых, с увеличением базы B ЛЧМ сигнала наблюдается постепенное уменьшение амплитуды осцилляции модуля спектральной плотности. Из (6.6) можно убедиться, что на центральной (несущей) частоте спектра его амплитуда равна

.

Таким образом, модуль спектральной плотности ЛЧМ сигнала с большой базой B в некотором приближении можно записать

Для сравнения на рис. 6.4 ниже показан АЧС одиночного прямоугольного радиоимпульса без внутриимпульсной частотной модуляции и той же длительности, что и ЛЧМ сигнал.

Как видно из рис. 6.4, ширина АЧС простого сигнала уже во столько раз, во сколько его база B_ори меньше базы ЛЧМ сигнала (B_ори<B_ЛЧМ).

Поскольку девиация частоты ЛЧМ сигнала сравнительно велика, его можно условно разбить на совокупность радиоимпульсов без ЛЧМ, частоты которых изменяются ступенчато, как показано на рис. 6.5, а длительность каждого одинакова и равна длительности ЛЧМ радиоимпульса. Спектры каждого из радиоимпульсов без ЛЧМ будут находиться каждый на своей частоте и, в конечном итоге, приближенно представят спектр ЛЧМ сигнала.

Таким образом, приближенно можно считать, что АЧС прямоугольного ЛЧМ радиоимпульса с большой базой имеет прямоугольную форму, а ширина спектра равна величине девиации частоты .

Рис 6.5 АЧС одиночных прямоугольных радиоимпульсов и ЛЧМ сигнала.