Б. Методы измерения угловых координат

Угловые координаты (азимут и угол места ) объекта относятся к числу первоочередных тактически-значимых координат этого объекта. При военном пилотировании знание угловых координат, например, атакующего самолета противника позволит своевременно принять меры для подготовки отражения атаки или выполнения маневра. В гражданской авиации информация об угловых координатах, скажем, наземного радиомаяка обеспечит нужную коррекцию полетной траектории.

Методы измерения угловых координат объекта базируются на определении амплитудных, либо фазовых значений радиосигналов, принимаемых из пространства.

В амплитудных методах измерения угловых координат определение угла прихода радиосигнала происходит согласно амплитуде принятого радиосигнала. Амплитудные методы углометрии подразделяются на три основные метода – максимума, минимума и сравнения (иногда называемый равносигнальным методом). В современных авиационных радиосистемах зачастую используется комбинирование указанных методов.

а) Метод максимума.

Суть метода заключается в том, что отсчет угловой координаты объекта выполняется в тот момент, когда диаграмма направленности антенны, принудительно перемещаемая в пространстве по измеряемой угловой координате, окажется направленной максимумом на объект. Указанному моменту соответствует максимальное (из всех возможных) значение амплитуды принимаемого радиосигнала.

Упрощенная структура приемной части радиосистемы, осуществляющей измерение угловой координаты (обобщенный угол; в частных случаях или ) объекта по методу максимума, представлена на рис. 3.25, а) а зависимость выходного напряжения приемного устройства от текущего значения (угла поворота диаграммы направленности в пространстве) изображена на рис. 3.25. б). Объект при этом полагается точечным. Отметим, что передающая часть указанной радиосистемы на рис. 3.25, а) не показана, поскольку источником принятого радиосигнала может оказаться не только пассивно-отражающий объект, но и активно-излучающая радиосистема (например, радиомаяк), чью угловую координату необходимо измерить.

Работа измерителя угловой координаты объекта происходит следующим образом. Диаграмма направленности антенны перемещается в пространстве по той или иной угловой координате, причем закон (линейный, по окружности, и т.д.) этого перемещения задается устройством 1 сканирования. Данное устройство может перемещать диаграмму направленности либо механическим способом (путем поворота всей антенны 2 с помощью механического привода – см. рис. 3.25, а), либо электронным (в этом случае антенна, представляющая собой фазированную антенную решетку, остается неподвижной). То же самое устройство сканирования задает начальное () положение диаграммы направленности.

Когда в процессе движения диаграммы направленности по пространству ее максимум окажется направленным на объект (), напряжение на выходе радиоприемного устройства 3 оказывается наибольшим, и в этот момент индикатор 4 формирует отсчет угловой координаты объекта.

Достоинством метода максимума является сравнительная аппаратурная простота устройства и максимальный уровень (в момент отсчета) принимаемого радиосигнала, а недостатком – невысокая точность. Последнее обстоятельство объясняется наличием участка с малой кривизной в окрестности максимума диаграммы направленности. Иными словами, незначительному изменению измеряемого выходного напряжения соответствует (рис. 3.25, б) существенная величина ошибки измерения угловой координаты объекта, а именно , где - ширина диаграммы направленности. Для снижения используют узкие (игольчатые, карандашного типа) диаграммы направленности.

Метод широко применяется как в наземных, так и в бортовых авиационных радиосистемах.

б) Метод минимума.

Как следует из названия, данный метод состоит в том, что отсчет угловой координаты объекта осуществляется, когда единый минимум (во многих случаях – нуль) двух диаграмм направленности, принудительно (и синхронно) перемещаемых в пространстве по данной угловой координате, окажется направленным на объект (рис. 3.26, а). Измерение угловой координаты объекта производится в тот момент, когда амплитуда напряжения на выходе радиоприемного устройства минимальна (равна нулю – на рис. 3.26, б).

Метод минимума в известном смысле противоположен методу максимума. В частности, достоинством метода минимума является высокая точность измерения, а недостатком – минимальная амплитуда принимаемого (в момент измерения ) радиосигнала.

в) Метод сравнения (равносигнальный метод).

Данный метод занимает промежуточное место между методами максимума и минимума. Он обладает достаточно высокой (лучше, чем у метода максимума, хотя и ниже, чем у метода минимума) точностью измерения угловой координаты объекта, причем уровень принимаемого радиосигнала имеет значительную (хотя и меньшую, чем в методе максимума) величину в момент определения . Реализация данных особенностей происходит благодаря наличию двух приемных диаграмм направленности, пересекающихся на уровне 0,7 от максимума этих диаграмм.

Отметим, что направление «антенна-точка пересечения диаграмм» называется равносигнальным. Это означает, что если объект расположен на указанном направлении, то амплитуды радиосигналов, принятого от данного объекта, будут одинаковыми для обеих диаграмм направленности.

Принцип рассматриваемого метода заключается в том, что отсчет угловой координаты объекта происходит в тот момент, когда данный объект оказывается на равносигнальном направлении (рис. 3.27, а). Технически определение этого момента осуществляется с помощью вычитающего устройства, формирующего разность двух видеосигналов, поступивших на это устройство с выходов первого и второго радиоприемных устройств (рис. 3.27, б). Отсчет угловой координаты выполняется, когда разностный сигнал на выходе вычитающего устройства принимает нулевое значение.

Таковы основные амплитудные методы, употребляемые для определения угловой координаты объекта.

Между тем, в практике современных авиационных радиосистем весьма часто задача нахождения угловой координаты объекта решается путем использования комбинированных методов углометрии, в которых применяется не какой-либо единственный из рассмотренных выше амплитудных методов, а их совокупность. Необходимость обращения к комбинированным методам проистекает из двух следующих обстоятельств.

Первое. Наиболее точные базовые методы (минимума, сравнения) углометрии требуют для своей реализации наличия двух радиоприемных устройств с высокими требованиями к идентичности характеристик этих устройств, что в ряде случаев представляет собой достаточно трудоемкую задачу.

Второе. Очевидно, что максимально-возможную точность углометрии можно получить, если подвергать необходимой обработке не видеосигналы с выходов радиоприемных устройств, а непосредственно радиосигналы, принятые из пространства (то есть, с выхода приемной антенны).

Обращение к комбинированным методам амплитудной углометрии позволяет повысить эффективность радиосистем измерения угловых координат. При этом наибольшее распространение получил суммарно-разностный метод. Структурная схема суммарно-разностного измерителя угловой (в одной плоскости) координаты объекта представлена на рис. 3.28. Работа этого измерителя осуществляется следующим образом.

Рассмотрим режим излучения.

Радиопередающее устройство 6 формирует мощный радиоимпульс, заполненный высокочастотным колебанием, которое имеет длину волны. Этот радиоимпульс поступает на антенный переключатель 5 и далее на отвод С кольцевого волноводного моста 4.

Построение кольцевого волноводного моста схематически показано на рис. 3.29. Это устройство представляет собой кольцевой волновод, протяженность (длина окружности) которого равна 1,5 , и который обладает четырьмя волноводными отводами (А, Б, С, Р), расположенными на строго определенных расстояниях друг относительно друга. Такая конфигурация позволяет использовать один и тот же кольцевой волноводный мост как в режиме излучения, так и в режиме приема радиосигналов.

В частности, в режиме излучения высокочастотный радиоимпульс, поступивший на отвод С (выполняющий в данном случае роль входа), начинает распространяться (разветвляться) по кольцевому волноводному мосту в двух направлениях – от отвода С в стороны отводов А и Б. Поскольку расстояния СА и СБ одинаковы (равны 0,25 ), то фазы радиоимпульсов, пришедших к отводам А и Б, окажутся равными друг другу. Это означает, что излучение из рупорных антенн 1 и 2, соединенных с соответствующими отводами А и Б, будет синфазным. Однако, не весь радиосигнал, поступивший на отвод С, будет излучен через отводы А и Б. Часть этого радиосигнала двинется по кольцевому волноводному мосту далее – от отводов А и Б к отводу Р. Поскольку разница расстояний АР и БР равна 0,5 , то радиосигналы, пришедшие к отводу Р, окажутся в противофазе и взаимно погасят друг друга. То есть излучаемый радиоимпульс не поступит в приемное устройство (рис. 3.28), а будет подан только на рупорные антенны 1 и 2.

На рис. 3.30, а) приведены диаграммы направленности каждой из рупорных антенн (рассматриваемой в совокупности с параболическим отражателем) вне зависимости от фазовых соотношений между излучаемыми радиосигналами. Из этого рисунка видно, что параболоид, зеркально отражающий радиоволны, направляет излучение из вышерасположенного рупора 1 несколько ниже (луч 1) своей оптической оси, а радиосигнал из нижерасположенного рупора 2 – немного выше (луч 2) той же оптической оси. На рис. 3.30, б) показана результирующая диаграмма направленности всей антенной системы «два рупора – параболоид» для случая синфазного излучения из рупорных антенн. Как видим, результирующая диаграмма направленности в режиме излучения имеет один максимум, ориентированный по оптической оси антенной системы «два рупора – параболоид». Иными словами, в режиме излучения реализуется уже известный метод максимума.

Рассмотрим режим приема.

Предположим, что объект находится строго на оптической оси антенной системы. В этом случае радиосигнал (в виде электромагнитного поля), отраженный от объекта, сначала попадает на поверхность параболоида, после чего будет принят обеими рупорными антеннами и, наконец, поступит на входы А и Б кольцевого волноводного моста. Поскольку объект расположен на оптической оси, то расстояния от этого объекта до рупоров 1 и 2 (с учетом отражения от параболоида) окажутся одинаковыми. Это означает, что отраженные от объекта электромагнитные радиосигналы придут в точки А и Б кольцевого волноводного моста в фазе.

Рассмотрим процесс распространения принятого электромагнитного радиосигнала внутри кольцевого волноводного моста. Разветвление поля от точек А и Б в обе стороны начинается одновременно. Поскольку расстояния (по коротким дугам окружности) от точек А и Б до точки С одинаковы (равны 0,25 ), то данные электромагнитные сигналы в точке С окажутся в фазе и, естественно, просуммируются. Поэтому точка С обозначена первой буквой слова «сумма». Другая точка кольцевого волноводного моста, точка Р, имеет название, происходящее от начальной буквы слова «разность». В самом деле, электромагнитные радиоволны, попадающие в точку Р от точек А и Б, окажутся в точке Р в противофазе (разность хода этих радиоволн равна 0,75 -0,25 = 0,5 ), то есть вычтутся друг из друга. А так как амплитуды отраженных радиосигналов будут в рупорах 1 и 2 одинаковыми, то разность данных радиосигналов в точке Р будет равна нулю. Иными словами, если объект расположен на оптической оси антенны, то на вход приемного канала измерения угла (блоки 8 и 10 на рис. 3.28) ничего не поступит. Это будет соответствовать ситуации «угол отклонения объекта от оптической оси антенны равен нулю». В то же время суммарный радиосигнал, поданный на вход канала измерения дальности (блоки 5,7 и 9 на рис. 3.28), будет иметь значительную величину и использоваться для определения расстояния до объекта.

Теперь предположим, что объект не расположен на оптической оси антенны (направление на объект образует угол с оптической осью антенны). Это означает, что результирующие (с учетом факта отражения от параболоида) расстояния от объекта до рупоров 1 и 2 будет неодинаковыми. Используя рассуждения, аналогичные предшествующим, получим, что в точке С кольцевого волноводного моста произойдет неполное (уменьшенное по сравнению с предыдущим случаем) суммирование, а в точке Р – неполное вычитание радиосигналов. При этом разность, получившаяся в результате неполного вычитания, может иметь знак «+» (если угол - положительный), либо знак «-» (если угол - отрицательный). Следовательно, знак разностного (в точке Р) радиосигнала несет в себе информацию о стороне (вверх или вниз) отклонения объекта от оптической оси антенны. С другой стороны, при сравнительно небольших отклонениях объекта от оптической оси антенны будет сохраняться зависимость «при увеличении растет величина разностного сигнала на выходе Р». То есть информация о значении углового отклонения объекта заложена в уровне разностного сигнала.

Сказанное означает, что если представить информацию о знаке и интенсивности разностного радиосигнала в графической форме, а именно в виде эквивалентной (не существующей в виде реального поля, но отражающей операции, выполняемые кольцевым волноводным мостом) приемной диаграммы направленности, то мы придем к рис. 3.30, в). Иными словами, в данном случае измерение углового положения объекта осуществляется, фактически, методом минимума, то есть с наивысшей точностью.

Отметим особенность рассмотренного измерителя, связанную с наличием регулирующих связей (с выхода блока 7 на блоки 7,8 и 10 – рис. 3.28). Данные связи необходимы для коррекции (обратно пропорционально мощности суммарного сигнала) коэффициента усиления в блоке 7 и выравнивания коэффициентов усиления в блоках 7,8 и 10, в результате чего обеспечивается идентичность характеристик суммарного и разностного каналов.

Таков принцип работы суммарно-разностного измерителя угловой координаты объекта, осуществляющего измерение этой координаты лишь в одной плоскости. В реальных условиях измерение угловых координат (азимута и угла места ) объекта выполняется, разумеется, в двух плоскостях – азимутальной и угломестной.

Структурная схема суммарно-разностного измерителя угловой координаты объекта, выполняющего это измерение в двух плоскостях, показана на рис. 3.31.

Как видно из этого рисунка, формирование суммарного и разностного сигналов производится системой из 4-х волноводных мостов (а не 2-х, как можно было бы предположить, исходя из рассмотрения рис. 3.28). В остальном работа данного измерителя происходит аналогично функционированию схемы, представленной на рис. 3.28, хотя в нее и добавлен еще один разностный канал.

г) Фазовые методы.

Суть фазовых методов углометрии заключается в том, что радиосигнал, отраженный от объекта, принимается двумя разнесенными в пространстве на расстояние антеннами, и угловая координата этого объекта определяется по разности фаз радиоволн, принятых указанными антеннами.

Найдем алгоритм связи и , для чего рассмотрим рис. 3.32, а). Прием радиосигнала, отраженного от объекта, осуществляется антеннами, расположенными в точках 1 и 2. Поскольку на практике дальность до объекта значительно больше, чем величина , то условно можно полагать, что линии «объект-антенна 1» и «объект-антенна 2» параллельны. Тогда разность фаз будет обусловлена длиной отрезка «точка А – антенна 1». Данная длина, исходя из геометрических соображений, равна величине , а разность фаз – значению

где - длина волны принимаемого радиосигнала.

Из выражения (3.29) легко получить соотношение для нахождения угловой координаты объекта, располагая измеренной разностью фаз:

Если же угол достаточно мал, то можно принять , и алгоритм (3.30) запишется в упрощенном виде:

Отметим, что при измерении должно соблюдаться требование однозначности для разности фаз, а именно, . В этом случае максимальная величина будет определяться из уравнения:

Если измеряемый угол объекта оказывается больше, чем , то необходимо использовать другую длину волны: .

На рис. 3.32, б) показана упрощенная структурная схема фазового измерителя угловой координаты объекта. Основным элементом данного устройства является измеритель 8 разности фаз, в качестве которого обычно используется фазовый детектор. Поскольку фазовые детекторы обычно работают на достаточно низких частотах, то частота принятого радиосигнала понижается (до величины ) с помощью смесителей (нелинейных радиотехнических устройств, предназначенных для комбинирования частот тех напряжений, которые подаются на их входы) и общего гетеродина 5, вырабатывающего напряжение частоты . В результате, напряжения частоты , сформированные на выходах первого 3 и второго 4 смесителей и усиленные в первом 6 и во втором 7 усилителях, поступают на входы измерителя 8 разности фаз, а выходное напряжение этого измерителя, пропорциональное величине , далее подается на индикатор 9, шкала которого отградуирована в значениях угловой координаты объекта.

Отметим, что достоинством фазового метода углометрии (по сравнению с амплитудными методами) является более высокая точность измерения углового положения объекта, улучшающаяся с ростом отношения , а недостатками – двухканальность (приводящая как с увеличением аппаратурных затрат, так и к необходимости обеспечения строгой идентичности фазовых характеристик каналов) и выполнение требования однозначности измерения.

В заключение рассмотрим функционирование суммарно-разностного измерителя угловой координат объекта, в работе которого сочетаются фазовый и амплитудный методы углометрии.

Структурная схема указанного фазового суммарно-разностного измерителя, в котором отсчет углового положения объекта выполняется лишь в одной (для простоты рассмотрения) плоскости, изображена на рис. 3.33 а). Чтобы конкретизировать ситуацию, в качестве данной плоскости взята азимутальная (горизонтальная) плоскость, то есть .

Работа этого измерителя весьма сходна с функционированием суммарно-разностного измерителя, структурная схема которого изображена на рис. 3.28. Это обстоятельство касается как режима излучения, так и режима приема.

В режиме излучения зондирующий импульс, сформированный радиопередающим устройством 5, подается через антенный переключатель 6 на вход С кольцевого волноводного моста 4 (его устройство приведено на рис.3.29.), а затем с отводов А и Б данного моста поступает на первую 1 и вторую 2 рупорные антенны, разнесенные в пространстве на расстояние . Электромагнитный радиосигнал, излученный указанными рупорными антеннами и отраженный далее от сдвоенного параболического рефлектора (отражателя) 3, устремляется в пространство.

В режиме приема радиоимпульса, отраженного от находящегося в пространстве объекта, описанный выше процесс начинает происходить в обратном порядке, а именно: электромагнитный импульс, пришедший на рефлектор, отражается от него и поступает на рупорные антенны. Радиосигналы, полученные этими рупорными антеннами имеют между собой фазовый сдвиг , равный

и совпадающий с соотношением (3.29). Амплитуды указанных радиосигналов одинаковы (), поскольку дальность до объекта много больше, чем расстояние между точками приема. Затем данные электромагнитные импульсы подаются на отводы А и Б кольцевого волноводного моста. С отвода С этого моста снимается сумма указанных импульсов, имеющая амплитуду , а с отвода Р – разность, амплитуда которой равна . Векторная диаграмма, поясняющая процесс образования и из и , показана на рис. 3.33, б). Из нее следует, что амплитуда разностного радиосигнала получится в виде:

При малых значениях , с учетом (3.33), будем иметь:

то есть амплитуда разностного радиосигнала будет прямо пропорциональна величине . Если же изменит знак, то ориентация вектора на рис. 3.33, б) сменится на противоположную (фаза изменится на ); при этом перпендикулярность и сохранится. Чтобы определить величину и знак угла , разностный радиосигнал подается на один из входов фазового детектора, входящего в состав блока 10. На второй вход того же фазового детектора поступает опорный сигнал, которым является сдвинутый на по фазе суммарный радиосигнал с амплитудой . Тогда выходное напряжение фазового детектора будет характеризовать (в определенном масштабе) значение угла . Чтобы указанное выходное напряжение не зависело от величины принятых радиосигналов, в схему углового измерителя вводится автоматическая регулировка усиления, которую осуществляет выходной сигнал радиоприемного устройства 7.

Поиск по сайту: