МОНОИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА СО СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫМ ОТВЕТЧИКОМ

Полезная модель относится радиотехнике, а именно к радиолокации, и может быть использовано для определения наклонной дальности радиотехническими методами, например, до аэрологических радиозондов (АРЗ), также может быть использовано для измерения угловых координат АРЗ и сопровождение АРЗ по дальности.
Общеизвестен метод определения дальности до цели, при котором дальность определяется в результате измерения времени t=2 L/C прохождения сигналом расстояния от РЛС до цели и обратно, где L - расстояние до цели, С - скорость света. Время запаздывания t может измеряться или непосредственно при фиксации моментов излучения и приема сигналов или посредством измерения разности фаз между гармоническими колебаниями, которые выделяют из излучаемого и отраженного сигналов.
Недостатком этого на первый взгляд простого метода являются следующие: большая интенсивность помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов, а также трудность обеспечения заданной точности измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях и из-за малой отражающей поверхности в случае с АРЗ.
Известна система определения дальности до воздушного объекта (между воздушными объектами), см. «Система предупреждения воздушных судов ТСД8800», которая отслеживает опасную цель, одновременно индицируя барометрическую высоту цели и дальность, см. в Интернете www.avion.ru.
Недостатком данной системы являются следующие: цель должна быть оборудована автоответчиком, работающем в режиме декодирования запросного сигнала, распознавания и передачи ответного сигнала, т.е. для
применения в метео-РЛС, где требуется еще и передача метеоинформации, не применима; кроме того, для обнаружения малых целей, типа АРЗ, в силу недостаточной чувствительности приемника также не подходит.
Отличительной особенностью отечественных систем радиозондирования является измерение импульсным методом наклонной дальности до АРЗ, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП). Запросный импульс от аэрологического метеолокатора вызывает изменение структуры сигнала, постоянно излучаемого приемопередатчиком АРЗ, выражающееся в появлении энергетического минимума. Временная задержка от момента формирования запросного сигнала (импульса запуска передатчика АРЗ) до энергетического минимума в ответном сигнале определяет значение реальной наклонной дальности до АРЗ, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М, Гидрометеоиздат, 1989 г, стр.61-67, - ПРОТОТИП.
Технической задачей является повышение помехоустойчивости комплекса и повышение скрытности работы наземной РЛС, т.е. чем меньше мощность запросного импульса, тем труднее обнаружить РЛС.
Для решения поставленной задачи предлагается моноимпульсная система со сверхрегенеративным ответчиком, содержащая опорный кварцевый генератор, первый, второй и третий синтезаторы частот, цифровое вычислительное устройство, импульсный усилитель мощности, антенный переключатель, малошумящий усилитель, фазированную антенну и конструктив радиозонда, отличающаяся тем, что приемный канал разделен на подканал фазовый и подканал амплитудный со следующими составными частями и соединениями: смесители обоих подканалов подключены к выходу малошумящего усилителя, выходы обоих смесителей через усилители промежуточной частоты подключены к фазовому и амплитудному детектору соответственно, выходы которых через фильтры НЧ соединены: фильтр НЧ фазового канала соединен с блоком измерения дальности, фильтр НЧ
амплитудного канала - с цифровым вычислительным устройством, выход первого синтезатора частоты соединен с опорным входом фазового детектора, а выходы второго и третьего синтезаторов частот - с смесителями фазового и амплитудного каналов соответственно.
На фиг.4 показана структурная схема моноимпульсной системы со сверхрегенеративным ответчиком; на фиг.1-3, фиг.5 и 6 - графики поясняющие работу системы.
На фиг.4 изображено: 1 - опорный кварцевый генератор (ОКГ), 2-4 - синтезаторы частоты, 5 - импульсный усилитель мощности (ИУМ), 6 -антенный переключатель (АП), 7 - малошумящий усилитель (МШУ), 8 -смеситель основного канала (СМ-1·), 9 - смеситель канала АПЧГ (СМ-2), 10-11 - усилители промежуточной частоты (УПЧ-1 и УПЧ-2 соответственно), 12 - фазовый детектор (ФД), 13 - амплитудный детектор (АД), 14 - цифровое вычислительное устройство РЛС (ЦВУ), 15 - 16 - фильтры НЧ (ФНЧ-1 и ФНЧ-2 соответственно), 17 - блок измерения дальности и скорости, 18 - блок обработки телеметрических сигналов (БОТС), 19 - сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда (СПП), 20 - блок телеметрии радиозонда, А рлс - антенна РЛС, А рз - антенна радиозонда.
Моноимпульсная система имеет следующие соединения: выход ОКГ 1 соединен с входами СЧ-1, СЧ-2 и СЧ-3, а с управляющими входами СЧ-1 СЧ-3 соединены выходы ЦВУ 14 шинами управления Uy1, Uy2 и Uy3 соответственно, также выходы ЦВУ 14 соединены с блоком измерения дальности и скорости 17 (две шины), ИУМ 5 и АП 6, выход которого на передачу и прием связан с Арлс и на прием с МШУ 7? Выход МШУ 7 связан с смесителями СМ-1 8 и СМ-2 9 шиной ƒспп, выход этих смесителей связаны с УПЧ-1 10 и УПЧ-2 11 соответственно, выходы которых в свою очередь через ФД12 и АЩД13 связаны с ФНЧ-1 15 и ФНЧ-2 16 соответственно, выход Фнч-1 15 связан с блоком ИД и С 17, а выход УПЧ-1 10 дополнительно связан с блоком обработки телеметрических сигналов 18, выход которого
является данными телеметрии; А рлс радиоканалом связана с А рз, которая является входом/выходом СПП радиозонда, который связан с блоком телеметрии радиозонда.
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.
Импульсный усилитель мощности 5 может быть выполнен, например, на полевом транзисторе с барьером Шотки, см. «Микроэлектронные устройства СВЧ» под ред. Г.Н.Веселова, М, Высшая школа, 1988, стр.162-163; антенный переключатель (АП) 6 - см. там же, стр.82; малошумящий усилитель (МШУ) 7 - см. там же, стр.173, 201, 225; смесители 8 и 9 - см. там же, стр.226, 235; усилители промежуточной частоты УПЧ 10 и 11 - см. там же, стр.224-225; фазовый детектор (ФД) 12 может быть выполнен, например, по балансной схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.326-327; амплитудный детектор (АД) 13 см. там же, стр.307-311; фильтры НЧ - см. там же, стр.314-317; опорный кварцевый генератор синтезаторы частот (СЧ1 и СЧ3) 2-4 могут быть выполнены - см. там же стр.373-377; цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) 14 может быть выполнено - см. там же, стр.402-411; блок измерения дальности и скорости 17 может быть выполнен как предложенной заявке, см. стр.; антенна РЛС может быть выполнена в виде фазированной антенной решетки, см. пациент РФ №2161847; СПП радиозонда вместе с антенной, см. патент РФ №2214614; блок телеметрии радиозонда и блок его обработки могут быть самые стандартные и особого интереса не представляют; канал сопровождения по азимуту и углу места условно не показаны.
Моноимпульсная система со сверхрегенеративным ответчиком работает следующим образом.
Принципиальной особенностью работы классического СПП является полная статистическая независимость излучаемых радиоимпульсов, так как амплитуда и фаза в момент запуска каждого радиоимпульса определяются
спп
пр
пр
спп.
спп
пр
и
спп
пр
-3
флуктуационными колебаниями в контуре СПП. Наиболее существенное влияние на формирование спектра излучения СПП оказывает закон формирования фазы радиоимпульсов. Поскольку шумовые колебания близки по характеру к «белому шуму», то начальная фаза радиоимпульсов распределена равномерно в диапазоне от 0 до 2 π. Поэтому радиочастотный спектр излучения СПП является сплошным, шумоподобным и широкополосным по отношению к передаваемой телеметрической информации на наземную РЛС (см. фиг.1). На которой также показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) СПП, которая характеризует его приемные свойства. Значение несущей частоты ƒ соответствует максимуму спектра излучения радиоимпульсов СПП. Частота оптимального приема ƒ соответствует центру АЧХ. При правильной настройке СПП частота приема практически совпадает с частотой излучения ƒ≅ƒЗначения частот ƒ, ƒ и характеристики спектра приведены для системы радиозондрования АВК - МРЗ. Ширина спектра по первому лепестку зависит от длительности радиоимпульсов СПП, которая находится в пределах τ=0.25-0.35 мкс. Относительная нестабильность частот ƒ. и ƒ определяется нестабильностью частоты СВЧ-автогенератора СПП и практически составляет величину порядка ±10.
На фиг.2 показан закон плотности распределения фазы случайного процесса (а), которому подчиняется распределение фазы радиоимпульсов СПП. Когда сигнал отсутствует (s=0), этот закон изображается прямой, проходящей на уровне , что соответствует равномерному распределению фазы узкополосного стационарного нормального случайного процесса.
Появление в контуре СПП гармонического внешнего сигнала с амплитудой сопоставимой, а также превышающей уровень шума приводит к тому, что в распределении фазы случайного процесса появляется регулярная
составляющая (б). В общем случае закон распределения фазы случайного флуктуационного процесса в контуре при воздействии внешнего гармонического сигнала описывается выражением:
при условии
c
где s=U/σ - отношение амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума в контуре;
F(s cos φ) - интеграл вероятности.
спп
На фиг.2 также показаны расчетные зависимости распределения разности фаз между случайным процессом и внешним воздействием в зависимости от отношения сигнал/шум s. Из представленных зависимостей ясно видно, что уже при s≥3 фаза внешнего сигнала является доминирующей и практически полностью определяет закон распределения фаз. Среднеквадратичное отклонение фазы радиоимпульсов СПП от фазы внешнего сигнала будет монотонно уменьшаться по мере увеличения уровня внешнего сигнала. Таким образом, внешний сигнал, превышающий по мощности на 10 дБ внутренний флуктуационный шум в контуре СПП, вызывает практически полную синхронизацию фазы радиоимпульсов СПП. Этим обеспечивается привязка к фазе запросного сигнала фазы радиоимпульсов СПП, которые далее переизлучаются в направлении РЛС. В таком случае СПП, при некоторых условиях, можно рассматривать как ретранслятор фазы с весьма высокой чувствительностью. Так результаты экспериментальных исследований показывают, что для СПП радиозонда работающего на частоте ƒ=1,782 ГГц реальная мощность флуктуационных шумов в приемном режиме работы находится в пределах - 120...125 дБ/Вт. Поэтому необходимая мощность запросного сигнала, обеспечивающая синхронизацию фазы радиоимпульсов будет составлять - 110...115 дБ/Вт.
Необходимо отметить, что рассмотренный процесс синхронизации принципиально отличается от синхронизации автогенераторов, работающих в стационарном режиме, установившемся из-за нелинейности активного прибора.
спп
зс
зс
и
пр
зс
c
спп i
спп
зс
спп
Таким образом при появлении на входе СПП последовательности когерентных запросных радиоимпульсов с указанным уровнем мощности и выше, СПП будет отвечать последовательностью синхронизированных когерентных радиоимпульсов, спектр которых будет иметь дискретный линейчатый характер G(ƒ) (см. фиг.3). На фиг.3 спектр запросного сигнала G(ƒ) для простоты представлен в виде одной спектральной гармонической составляющей, поскольку длительность запросных радиоимпульсов τ=1.5-3 мкс в несколько раз превосходит длительность радиоимпульсов СПП τ=0.25-0.35. мкс и в десятки раз больше длительности приемного интервала τ=0.05 мкс СПП в течение которого происходит эффект синхронизации. Таким образом, когерентный сигнал за счет синхронизации фазы из сплошного спектра формирует дискретный, линейчатый спектр СПП. При этом одна из дискретных составляющих спектра оказывается связанной с частотой внешнего сигнала ƒ с точностью до фазы, а другие дискретные составляющие будут находиться друг от друга на расстоянии равном значению суперирующей частоты F, которая задается генератором супер-ирующего напряжения СПП и от внешнего сигнала не зависит (см. фиг.3). В общем случае положение дискретных составляющих спектра ƒ относительно несущей частоты ƒ произвольно и зависит только от текущего положения частоты запросного сигнала ƒ относительно несущей частоты СПП ƒ.
спп
спп
i
Необходимо подчеркнуть, что внешний сигнал не изменяет значение несущей частоты СПП ƒ, соответствующей центру огибающей спектра излучения (см. фиг.1), и не вызывает его допплеровского смещения, но спектральные составляющие ƒ в пределах огибающей спектра будут
зс
спп
спп i
отслеживать положение частоты запросного сигнала ƒ, содержащей допплеровское смещение. Однако при распространении сигнала в направлении от СПП к РЛС происходит допплеровское смещение и несущей частоты ƒ и спектральных составляющих ƒ.
п
Из приведенных соображений следует, что принципиально обнаружение ответного сигнала СПП может быть осуществлено путем анализа спектра его радиоимпульсов в течение периода повторения Т запросного сигнала РЛС.
спп
Однако обнаружение и выделение ответных радиоимпульсов путем анализа огибающей спектра, например, за счет определения сдвига несущей частоты ƒ практически невозможно.
спп i
Обнаружение ответного сигнала, содержащего дискретные спектральные составляющие ƒ, принципиально может быть осуществлено с помощью частотного или фазового детекторов. Необходимо подчеркнуть, что при использовании частотного детектора возникают определенные трудности с приемом и обработкой низкочастотного допплеровского сигнала.
Технически наиболее просто и эффективно обнаружение ответных радиоимпульсов из общего потока реализовать путем сравнения фазы когерентных запросных радиоимпульсов с фазой ответных радиоимпульсов СПП в приемном устройстве наземного комплекса с помощью фазового детектора (ФД). Важно отметить, что в этом случае принципиально ответный сигнал наблюдается при любой реальной радиальной скорости перемещения радиозонда, а по частоте изменения сигнала на выходе ФД можно определять величину мгновенной скорости.
Следует также отметить, что эффект допплеровского смещения частоты повторения радиоимпульсов СПП (суперирующей частоты) из-за малого абсолютного значения этой частоты незначителен и в дальнейшем не учитывается.
Одна из возможных структурных схем наземного комплекса, реализующая предложенный метод обнаружения и обработки ответного сигнала СПП по дальности, изображена на рис.4. Она представляет собой вариант квазикогерентной импульсно-допплеровской радиосистемы с фазовым методом обработки активного ответного сигнала по дальности.
спп
зс
Принципиальное отличие данной системы от классического аналога заключается в том, что обнаружение и обработка ответных когерентных радиоимпульсов происходит на фоне несинхронизированных радиоимпульсов одиноковой мощности, а несущая частота ƒ вследствие нестабильности СВЧ-автогенератора СПП может существенно отличаться от частоты запросного (зондирующего) сигнала ƒ в сравнении с допплеровским сдвигом частоты. Поэтому для обеспечения работоспособности системы в условиях эксплуатации необходимо принимать меры для осуществления автоматической настройки частоты передатчика и приемного устройства РЛС на частоту излучения СПП, а также реализовать сравнение фазы запросных и ответных радиоимпульсов с целью обнаружения и сопровождения ответного сигнала по дальности на фоне несинхронизированных радиоимпульсов.
Следует также отметить, что принципиально изменение частоты и фазы происходит в течение излучения радиоимпульса СПП. Однако при сравнительно коротких длительностях радиоимпульсов СПП этот эффект малозаметен. Кроме того, излучение СПП промодулировано низкочастотными сигналами блока телеметрии радиозонда, например, с помощью частотно-импульсной манипуляции поднесущей (суперирующей) частоты приемопередатчика.
окг
Работа комплекса осуществляется следующим образом. Опорный кварцевый генератор (ОКГ) вырабатывает стабильный непрерывный гармонический сигнал, номинальное значение частоты которого ƒ выбирается из условия формирования сетки частот необходимых для
y1
y2
y3
функционирования радиосистемы. Сигнал ОКГ подается на входы синтезаторов частоты СЧ-1 2, СЧ-2 3, СЧ-3 4. Этим обеспечивается жесткая привязка фаз всех генерируемых синтезаторами высокочастотных сигналов. Установка рабочих частот синтезаторов осуществляется по командам управления U, U, Uот цифрового вычислительного устройства (ЦВУ) РЛС 14.
y1
Синтезатор СЧ-1 2 по команде U от ЦВУ вырабатывает задающий сигнал для передатчика запросного сигнала РЛС частотой
зc
н
ƒ=ƒ±Δƒ,
зс
1
окг
причем ƒ=кƒ,
н
где ƒ - номинальное значение частоты радиосистемы;
н
±Δƒ - диапазон допустимых рабочих частот относительно номинального значения частоты радиосистемы ƒ;
1
к - переменный коэффициент умножения частоты СЧ-1 2, задаваемый ЦВУ 14.
1
зс
пр
зс
зс
зс
с
зс
п
зс
рлс
Коэффициент умножения к выбирается таким образом, чтобы частота запросного сигнала, излучаемого передатчиком ƒ была близка к частоте приема ƒ (см. фиг.1). Этот сигнал U на частоте ƒ поступает на вход импульсного усилителя мощности (УМ) 5 передатчика запросного сигнала РЛС где осуществляется его импульсная модуляция и усиление до требуемого уровня мощности Р. Синхронизатор РЛС, входящий в структуру ЦВУ, вырабатывает импульсы синхронизации U, которые управляют работой УМ 5 и антенного переключателя (АП) 6, а также поступают в блок измерения наклонной дальности и скорости 17. Далее запросный сигнал передатчика в виде последовательности коротких когерентных радиоимпульсов длительностью t и периодом повторения Т≫t через антенный переключатель (АП) 6 подается в антенну РЛС (А), излучается в направлении радиозонда и поступает на вход СПП радиозонда.
пр
зс
зс
спп
пр
зс
спп
пр
-3
-4
В оптимальном случае, для нормального функционирования радиосистемы, практически должно выполняться условие когда частота приема СПП ƒ, частота излучения СПП ±Δƒ и частота запросного сигнала ƒ не должны значительно отличаться друг от друга ƒ≅ƒ≅ƒ. Это условие должно выполняться в пределах рабочей полосы частот ±Δƒ. Для рассматриваемой системы все частоты ƒ, ƒ, ƒ должны находиться в разрешенном диапазоне ƒ = 1782±10 МГц (в перспективном варианте в диапазоне ƒ=1680±10 МГц). Практически совмещение частот во всем рабочем диапазоне должно обеспечиваться с относительной погрешностью не более ±10. Установка рабочих частот всех синтезаторов СЧ-1, СЧ-2, СЧ-3 по командам ЦВУ 14 должна осуществляться с относительным значением дискретности не более 0,5×10.
Также СЧ-1 2 генерирует опорный непрерывный гармонический сигнал частотой
ос
пч
ос
2
окг
ƒ=ƒ, причем ƒ=к ƒ,
ос
где ƒ - частота опорного сигнала фазового детектора;
пч
ƒ - значение промежуточной частоты приемного устройства РЛС;
2
к - коэффициент умножения частоты, задаваемый ЦВУ.
Этот сигнал подается на первый вход фазового детектора (ФД) 12 приемного устройства и используется в качестве опорного сигнала обеспечивающего запоминание фазы запросных радиоимпульсов на промежуточной частоте приемного устройства РЛС.
г1
Синтезатор СЧ-2 3 используется для формирования синусоидального сигнала гетеродина на частоте ƒ обеспечивающего работу первого смесителя (См-1) 8 приемного устройства РЛС
г1
3
окг
ƒ=кƒ,
г1
н
пч
причем ƒ=(ƒ±ƒ)±Δƒ.
3
y2
где к - переменный коэффициент умножения частоты, устанавливаемый по команде управления U от ЦВУ 14.
y2
Сигнал U обеспечивает в процессе работы радиосистемы автоматическую подстройку частоты гетеродина по максимуму сигнала СПП радиозонда на выходе УПЧ-1 10 в разрешенном диапазоне рабочих частот Δƒ.
РЗ
зс
спп
упч-1
пч
пч
оп
оп
пч
ФД
Как отмечалось ранее, запросные когерентные радиоимпульсы поступают в антенну радиозонда А и вызывают фазовую синхронизацию радиоимпульсов СПП в течение действия запросных радиоимпульсов τ (см. фиг.3,а). Далее сигнал, излучаемый СПП радиозонда U, воспринимается антенной РЛС и через АП 6 поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ) 7 и после первичной фильтрации и усиления поступает на первый вход смесителя приемного устройства (См-1) 8. С выхода См-1 8 радиоимпульсы СПП поступают на вход первого усилителя промежуточной частоты (УПЧ-1) 10, полоса пропускания которого составляет Δƒ≅4-5 МГц. После фильтрации и усиления последовательность радиоимпульсов СПП U на промежуточной частоте ƒ, в том числе и синхронизированные по фазе (см. фиг.5,а), подаются на первый вход устройства сравнения фаз - фазовый детектор (ФД) 12. На второй вход ФД 12 подается непрерывный опорный сигнал U, также на промежуточной частоте ƒ=ƒ, вырабатываемый СЧ-2 3. Его спектр изображен на фиг.5. Далее с выхода ФД 12 через ФНЧ-1 15 ответный сигнал U* (см. фиг.6) поступает на вход блока измерения наклонной дальности управляемого ЦВУ 14, где осуществляется его стробирование, обработка, накопление и автоматическое сопровождение по дальности.
пч
Необходимо пояснить структуру сигнала на выходе ФД 12. При отсутствии запросного сигнала последовательность радиоимпульсов СПП на промежуточной частоте U, поступающая на вход ФД 12 имеет сплошной, шумоподобный спектр аналогичный спектру на СВЧ, изображенному на
пч
спп i
ос
Д
фиг.1. В течение действия запросных когерентных радиоимпульсов на входе СПП спектр его ответных радиоимпульсов G*(ƒ) на выходе УПЧ-1 10, как отмечалось, также будет иметь дискретную структуру (см. фиг.5). На фиг.5 показано смещение частот спектральных линий ƒ синхронизированных радиоимпульсов СПП относительно частоты опорного сигнала ƒна величину частоты Допплера F.
Д
ос
спп 0
спп i
c
оп
спп 0
ФД
Сигнал на выходе ФД будет изменяться с частота биений F между опорным сигналом ƒ и первой совпадающей гармоникой ƒ синхронизированных радиоимпульсов. Частота биений с другими гармониками спектра СПП ƒ увеличивается пропорционально F и номеру этих гармоник относительно ƒ и ƒ (см. фиг.5). Поэтому суммарный сигнал на выходе ФД 12 U оказывается весьма сложным. Для уменьшения влияния высших составляющих биений на выходе ФД 12 используется фильтр нижних частот ФНЧ-1 15. Полоса пропускания ФНЧ-1 15 должна выбираться из условия формирования ответного сигнала по дальности. Длительность ответного сигнала принципиально равна
отв
зс
пр
и
τ=τ-τ+τ.
отв
Поэтому полоса ФНЧ-1 15 должна выбираться из условия ΔF≥1/τ.
max
max
В отсутствие внешнего запросного сигнала, фазы радиоимпульсов СПП некоррелированы и распределены равномерно, поэтому выходной сигнал ФД 12 в этом случае представляет собой непрерывный шумовой поток разнополярных видеоимпульсов (см. фиг.6) равномерно распределенных по амплитуде во всем диапазоне от - U до + U,
c
п
Следует отметить, что обычно значение суперирующей частоты СПП F в десятки раз превышает частоту повторения запросных радиоимпульсов F. Кроме того, моменты прихода запросных радиоимпульсов РЛС на вход СПП и запуска радиоимпульсов СПП не коррелированы, случайны.
Поэтому на фиг.6 осциллограмма выходных видеоимпульсов ФД 12, синхронизированная с моментом запуска передатчика запросного сигнала и приходом ответного сигнала и не синхронизированная с моментом запуска радиоимпульсов СПП, воспринимается в виде огибающей с непрерывным заполнением (затемненная часть фиг.6).
н
ос
зс
ос
зс
н
При появлении на входе приемного устройства синхронизированных по фазе радиоимпульсов (ответного сигнала) СПП при постоянном значении наклонной дальности R, выходной сигнал ФД 12 устанавливается на некотором определенном уровне U в течение действия (длительности τ) запросного радиоимпульса (см. фиг.6) пропорциональном разности фаз опорного сигнала и принятых радиоимпульсов. Необходимо подчеркнуть, что ширина линии уровня ответного сигнала U определяется среднеквадратичным значением плотности распределения фазы σ во время действия запросного сигнала (см. фиг.2), другими словами - уровнем мощности запросного сигнала Р. На рис.6 условно принято, что время задержки запросного и ответного сигналов при их распространении до радиозонда и обратно равно нулю (R=0).
н
ос
Д
При изменении наклонной дальности R уровень ответного сигнала U будет смещаться параллельно оси абсцисс с частотой Допплера F от максимума отрицательного до максимума положительного уровня видеоимпульсов. Для улучшения условий наблюдения и снижения влияния фазового шума несинхронизированных радиоимпульсов СПП, ответный сигнал далее выделяется с помощью стробов вырабатываемых в блоке измерения наклонной дальности системой автоматического сопровождения ответного сигнала. Длительность стробов выбирается равной длительности ответного сигнала СПИ.
Таким образом, работа следящей системы блока измерения наклонной дальности сводится к смещению строба в пределах периода повторения запросных радиоимпульсов, выделяющего из всего излучения радиозонда
ФД
ответный сигнал. При отсутствии сигнала спектр в течение стробирующего импульса имеет флуктуационный характер. Признаком появления ответного сигнала является изменение спектра сигнала U* в интервале стробирования. Другими словами, при появлении ответного сигнала в стробе он приобретает регулярный характер, связанный с наличием допплеровской частоты.
Следует указать предлагаемые способы обнаружения и обработки ответного сигнала СПП.
Д
1. Ответный сигнал после стробирования можно выделить с помощью цепочки узкополосных параллельных фильтров, резонансные частоты которых выбраны в пределах изменения F.
2. Как уже отмечалось, обнаружение ответного сигнала может быть осуществлено с помощью специального, в том числе, цифрового анализатора спектра (см. далее описание работы системы автоподстройки частоты). Обнаружение ответного сигнала и сопровождение его по дальности осуществляется по критерию отношения амплитуды спектральных к шумовым составляющим спектра СПП.
Д
ос
R
3. Максимум амплитуды или отношения сигнал/шум на выходе фильтров или анализатора спектра является признаком точного совмещения по времени стробирующих импульсов с ответным сигналом. Это обеспечивает измерение наклонной дальности по времени задержки между запросным и ответным сигналами. Далее в блоке осуществляется непосредственное измерение допплеровской частоты F смещения уровня ответного сигнала U и вычисление мгновенной скорости перемещения радиозонда V.
ос
п
4. Другой способ обнаружения ответного сигнала в стробе сводится к измерению его уровня U в нескольких равноотстоящих точках (5-10) в течение длительности ответного сигнала за один период повторения запросных радиоимпульсов Т. Совпадение с определенным допуском
oc изм
ос изм
измеренных значений уровня сигнала U является признаком его присутствия в стробе. При точном совмещении строба и ответного сигнала количество одинаковых результатов измерения уровня U будет максимально.
R
Д
Радиальная скорость смещения радиозонда V определяется путем измерения частоты F и расчитывается с помощью известного соотношения
R
Д
зс
V=-с F/2ƒ
зс
где ƒ - несущая частота излучения передатчика запросного сигнала;
с - скорость света.
спп
Д
Следует отметить, что для рабочей частоты радиосистемы ƒ=1782 МГц и максимальной скорости смещения радиозонда не более 100 м/сек F≤580 Гц. При этом погрешность измерения мгновенной скорости ветра будет не хуже 0,1 м/сек.
зс
г1
cпп i
Структура рассмотренной части системы обеспечивает при фиксированных значениях ƒ и ƒ попадание в полосу УПЧ-1 10 первой совпадающей гармоники синхронизированных радиоимпульсов ƒ и обнаружение ответного сигнала.
спп
cпп
н
Однако, как отмечалось ранее, частота излучения СПП ƒ в процессе работы может изменяться под действием дестабилизирующих факторов в пределах ƒ=ƒ±Δƒ, что приводит к смещению максимума огибающей спектра СПП относительно центра полосы пропускания УПЧ-1 10, снижению уровня и возможной потере сигнала СПП, нарушению приема телеметрической информации и прекращению функционирования системы. Для обеспечения точной настройки приемного устройства на частоту излучения СПП в структуру реальной системы вводится канал автоподстройки частоты гетеродина приемного устройства (АПЧГ) 9. В структуру АПЧГ 9 входят: второй смеситель (СМ-2); второй усилитель промежуточной частоты
(УПЧ-2) 11; амплитудный детектор (АД) 13; второй фильтр низких частот (ФНЧ-2) 16; третий синтезатор частоты (СЧ-3) 4.
н
спп
н
спп
Система АПЧГ 9 работает следующим образом. Допустимый диапазон изменения частоты излучения СПП относительно номинального значения частоты радиосистемы ƒ составляет ƒ=ƒ±Δƒ. Величина 2Δƒ определяет допустимую ширину рабочего диапазона частот радиосистемы. Частота излучения СПП ƒ в течение его работы изменяется под действием дестабилизирующих факторов достаточно медленно.
y3
г 2
ск
Выходной сигнал СЧ-3 4 используется в качестве сигнала гетеродина для работы смесителя СМ-2 9 системы АПЧГ. ЦВУ 14 вырабатывает сигнал управления U, который управляет работой СЧ-3 4 таким образом, чтобы частота второго гетеродина ƒ сканировала достаточно медленно с периодом Т по линейно-ступенчатому закону в пределах
г2
н
пч
ƒ=(ƒ±ƒ)±Δƒ,
г2
4
окг
причем ƒ=кƒ,
4
где к - переменный коэффициент умножения частоты СЧ-3 4, управляемый ЦВУ 14;
пч
знак "плюс" или "минус" перед ƒ зависит от верхней или нижней настройки гетеродина относительно номинального значения.
упч
упч-2
спп
упч-2
г2
Полоса пропускания Δƒ- 2 второго усилителя УПЧ-2 11 выбирается значительно меньше ширины спектра излучения СПП по первому лепестку (Δƒ≪Δƒ). Это обеспечивает необходимое разрешение при измерении огибающей спектра СПП во всем частотном диапазоне. Так, например, при 2Δƒ=20 МГц и полосе Δƒ≤1 МГц может быть получено до 20 отчетов уровней огибающей спектра СПП на выходе амплитудного детектора (АД) 13. Для каждого значения частоты ƒ осуществляется измерение амплитуды сигнала на выходе ФНЧ-2 16. Как правило, этого числа отчетов достаточно, чтобы построить огибающую спектра и с приемлемой
ск
ск
спп
1
2
3
точностью оценить значение несущей частоты СПП. ЦВУ 14 обеспечивает сканирование и последовательную запись в оперативную память значений частоты второго гетеродина, а также уровней сигнала СПП на выходе АД 13, повторяя эту операцию столько раз, сколько требуется сделать отчетов в течение одного периода сканирования Т (Т≈20 мсек). Процедура измерения спектра происходит непрерывно в течение всего времени работы системы. Это позволяет за счет накопления информации в течение многих периодов сканирования производить измерение огибающей спектра даже при малых отношениях сигнал/шум. Определение несущей частоты ƒ СПП осуществляется по максимуму огибающей его спектра. Далее ЦВУ 14 корректирует коэффициенты умножения к, к, к синтезаторов СЧ-1 2, СЧ-2 3 таким образом, чтобы спектр запросного сигнала находился в центре амплитудно-частотной характеристики СПП, а спектр СПП попадал на середину амплитудно-частотной характеристики УПЧ-1 10. Следует отметить, что этот метод позволяет избежать настройки приемного устройства на боковые лепестки спектра СПП.
АРУ
АРУ
ск
Система АРУ в контуре АПЧГ имеет постоянную времени Т, величина которой значительно больше периода сканирования Т≫Т. Это обеспечивает независимость измерения амплитуды сигнала СПП на выходе АД 13 для каждого значения частоты второго гетеродина от работы системы АРУ. Возможные искажения спектра за счет замираний сигнала радиозонда из-за его раскачивания на фале устраняются за счет статистической обработки результатов многократных измерений.
пр
спп
пр
спп
пр
1
В некоторых случаях частота приема ƒ СПП может заметно отличаться от частоты излучения ƒ на конкретную величину ±Δƒ=ƒ - ƒ. Тогда с помощью ЦВУ 14 можно ввести соответствующую поправку на установку частоты запросного сигнала путем коррекции коэффициента к.
Введение в структуру радиосистемы специального канала АПЧГ вызвано тем, что сканирование частоты гетеродина в основном канале приемного устройства недопустимо из-за влияния на прием телеметрической информации, присутствующей в спектре СПП, поскольку телеметрическая информация поступает в блок обработки с выхода УПЧ-1 10 непрерывно. Применение классического частотного детектора для автоподстройки частоты гетеродина также затруднительно из-за сложного, часто несимметричного спектра излучения СПП.
Таким образом, повышение чувствительности СПП радиозонда фактически обеспечивается за счет оптимальной обработки ответного сигнала в приемном устройстве РЛС. Практически значение чувствительности СПП на уровне - 110-115 дБ/Вт позволяет снизить импульсную мощность передатчика РЛС до 100 Вт, при средней мощности на уровне до 0,1 Вт.
Другим важным следствием фазового метода обработки ответного сигнала СПП является возможность реализации идеи моноимпульсного определения угловых координат радиозонда, поскольку ответный сигнал является когерентным. Это позволяет примерно в 1,5 раза повысить точность измерения угловых координат и соответственно повысить точность определения высоты подъема радиозонда.
Необходимо подчеркнуть, что предложенный метод позволяет измерять с высокой точностью, не хуже 0,1 м/сек, мгновенную скорость ветра, используя эффект Допплера. Другие системы радиозондирования скорость ветра вычисляют путем усреднения большого количества измерений, т.е. определяют средние параметры и не могут контролировать тонкую структуру возмущений в атмосфере - ее турбулентность.
При постановке активной непрерывной помехи СПП радиозонда, помехоустойчивость радиоканала измерения дальности при фазовом методе приема ответного сигнала выше помехоустойчивости радиоканала,
работающего по принципу вторичной ответной реакции СПП - «ответной паузе» на 15-20 дБ.
и
с
Устойчивость и стабильность работы СПИ в режиме фазовой синхронизации значительно выше, чем в режиме работы с вторичной реакцией. Настройка СПП в условиях производства сводится к настройке рабочей частоты, а чувствительность обеспечивается при правильной сборке практически автоматически, поскольку не требуется обеспечивать сложный режим вторичной реакции. При этом снижается уровень амплитудных шумов СПП, длительность радиоимпульсов может быть увеличена до оптимального значения τ=0.5τ, что уменьшает ширину спектра в 1.5-2.0 раза, кпд приемопередатчика увеличивается до 0.35-0.45. Все эти меры повышают потенциал радиоканала на 2-4дБ.
зс
пр
Дополнительно снизить среднюю мощность запросного сигнала в 20-30 раз можно за счет уменьшения его длительности τ=1.0-1.5 мкс до величины приемного интервала СПП τ=0.05 мкс. В этом случае необходимо технически обеспечить синхронизацию моментов излучения запросных радиоимпульсов РЛС и запуска СПП.
Предложенный подход к созданию перспективной системы радиозондирования позволяет существенно повысить технико-экономические характеристики отечественной АИИС, отличительной особенностью и преимуществом которой является точное измерение наклонной дальности радиолокационным методом и вычисление высоты подъема радиозонда, гарантированно обеспечить ее конкурентоспособность на мировом рынке современных метеорологических радиотелеметрических систем.