Исследование систем автоматического сопровождения по дальности. Андронников В.Б.

Система автоматического сопровождения цели по дальности импульсной радиолокационной станции (РЛС)

Исследование систем автоматического сопровождения по дальности. Андронников В.Б.

Макеты страниц

Функциональная схема системы (рис. 8.11). Задающим воздействием системы является дальность до цели, непрерывно изменяющаяся во времени. Эта дальность измеряется с помощью РЛС. Информация о дальности с выхода приемника импульсной РЛС поступает в дискретные моменты времени с частотой, равной частоте посылок

Рис. 8.11. Функциональная схема системы автоматического сопровождения цели по дальности импульсной РЛС.

станции. Эта информация содержится во времени запаздывания 4 отраженного сигнала от цели относительно импульса, излучаемого передатчиком. Действительно, дальность до цели пропорциональна времени запаздывания (где с — скорость распространения электромагнитных волн).

Если дальность до цели изменяется во времени, например, по кривой (рис. 8.11), то на выходе приемника РЛС появляется последовательность отраженных импульсов Моменты соответствуют моментам излучения импульса передатчиком.

Как видно из рисунка, радиолокатор осуществляет временную импульсную модуляцию: входным сигналом (дальностью до цели) модулируется последовательность импульсов по времени.

Поэтому РЛС в этом случае может быть представлена временным импульсным элементом первого рода.

Система автоматического сопровождения цели по дальности по дискретным значениям дальности воспроизводит непрерывную функцию изменения дальности до цели.

Эта система является импульсной следящей системой, использующей принцип управления по отклонению. В состав системы (рис. 8.

11) входят: временной дискриминатор, являющийся элементом сравнения, усилитель-преобразователь, исполнительное устройство, генератор опорных полустробов дальности.

Система работает следующим образом.

В течение коротких отрезков времени, когда вращающийся луч антенны проходит через направление на цель, происходит облучение цели импульсами электромагнитной энергии, которые отражаются от цели, принимаются, усиливаются, преобразуются радиолокационной станцией и поступают на вход системы автоматического сопровождения цели по дальности.

При каждом повороте антенны в период облучения цели на вход системы поступает короткая пачка импульсов. Истинное расстояние до цели пропорционально временному сдвигу (запаздыванию каждого поступающего импульса относительно момента его посылки. С другой стороны, дальность до цели вырабатывается системой. Эта дальность

Рис. 8.12. Упрощенная принципиальная схема временного дискриминатора (а) и примерные формы его напряжений (б).

сравнивается с задающим воздействием и получающееся при этом отклонение от (т. е. ошибка) используется для управления исполнительным устройством с тем, чтобы это отклонение уменьшилось.

Поскольку информация о дальности на вход системы поступает в виде последовательности импульсов, модулированных по времени, а дальность вырабатываемая системой, является непрерывной величиной, то для удобства сравнения дальность преобразуется также в дискретную величину.

Для этой цели предназначен генератор опорных полустробов, который осуществляет временную модуляцию последовательности импульсов дальностью Задержка во времени опорных полустробов (рис. 8.11), вырабатываемых генератором, относительно моментов излучения импульсов радиолокационной станцией, пропорциональна дальности до цели в дискретные моменты времени.

Таким образом, генератор опорных полустробов является импульсным элементом с ВИМ.

Дальности сравниваются в дискретные моменты времени во временном дискриминаторе сравнением временных положений отраженных от цели импульсов и опорных полустробов. Отклонение дальности от дальности

проявляющееся в разности времен запаздывания отраженного импульса 4 и опорных полустробов 42,

преобразуется временным дискриминатором в напряжение ошибки. Последнее используется для управления исполнительным устройством, изменяющим таким образом, что отклонение уменьшается.

Упрощенная схема временного дискриминатора и примерные формы напряжений, поясняющие принцип его работы, изображены на рис. 8.12. Временной дискриминатор интегрирует отраженный от цели импульс за время левого а затем за время правого опорного

полустроба. На выходе дискриминатора в моменты окончания отраженного импульса (на рис. 8.12, б в моменты создается напряжение, значение которого пропорционально разности площадей перекрытия отраженного импульса левым и правым полустробами.

Поскольку эта разность площадей при малых значениях временного сдвига отраженного импульса и опорных полустробов пропорциональна временному сдвигу то в соответствии с выражением (8.

1) уровень выходного напряжения пропорционален ошибке сопровождения цели по дальности в дискретные моменты времени:

Уровень напряжения сигнала ошибки, соответствующий моменту окончания отраженного сигнала, запоминается (фиксируется) на весь период повторения Т благодаря цепочке RC с большой постоянной времени. Перед приходом нового отраженного сигнала зафиксированный уровень сигнала снимается (конденсатор С быстро разряжается, схема разряда С на рис. 8.12, а не приведена).

Позиция 1 (рис. 8.12, б) соответствует случаю точного совпадения при этом опорные полустробы расположены симметрично относительно отраженного импульса. Уровень (амплитуда) выходного импульса равен нулю, так как к моменту окончания отраженного импульса напряжение на конденсаторе становится равным нулю.

Импульс, возникающий на выходе схемы в период существования отраженного импульса, в расчет не принимается — его длительность во много раз меньше длительности импульса, равного периоду повторения Т. Позиция 2 отражает случай, когда не равно что соответствует нарушению симметрии расположения опорных полустробов относительно отраженного импульса.

На выходе схемы в момент окончания отраженного импульса появляется импульс, фиксированный уровень которого пропорционален ошибке, а его полярность определяется знаком рассогласования. При изменении знака рассогласования напряжение ошибки изменяет полярность (позиция 3).

Как видно из рисунка, на выходе временного дискриминатора со схемой фиксации имеет место амплитудно-модулированная ошибкой последовательность импульсов напряжения с длительностью, равной периоду повторения Т.

Напряжение поступает на усилитель-преобразователь (рис. 8.11). Последний в общем случае содержит как усилительные элементы, так и корректирующие устройства, осуществляющие необходимое преобразование сигнала рассогласования. Выход усилителя-преобразователя соединен со входом исполнительного устройства.

С выхода последнего непрерывное значение дальности передается через устройство передачи данных на счетно-решающий прибор. Кроме того, поступает в цепь обратной связи на генератор опорных полустробов, который вырабатывает опорные полустробы, задержанные во времени на величину, соответствующую дальности

В качестве исполнительного устройства часто используется двигатель с фазовращателем. При вращении двигателя изменяется фаза синусоидального напряжения на выходе фазовращателя. Нулевой фазе этого напряжения соответствует появление опорных полустробов.

Рис. 8.13. Преобразование функциональной схемы импульсной системы автоматического сопровождения цели по дальности: а — исходная схема; б — преобразованная схема.

В результате вращения двигателя изменяется временное положение опорных полустробов в направлении устранения их несоответствия временному положению отраженного импульса. Так происходит автоматическое слежение по дальности или преобразование дискретных данных о дальности в непрерывную величину.

Необходимо заметить, что напряжение ошибки на вход усилителя-преобразователя в рассматриваемой схеме поступает в виде «пачки» амплитудно-модулированных растянутых импульсов через промежутки времени Та, равные периоду вращения антенны РЛС.

Продолжительность каждой пачки импульсов напряжения ошибки очень мала по сравнению с периодом обзора. Поэтому пачки импульсов можно рассматривать как одиночные импульсы ошибки, следующие через промежутки времени Та.

Это позволяет рассматривать систему автоматического сопровождения как замкнутую импульсную систему с периодом повторения Та.

Станция кругового обзора может обеспечить автоматическое сопровождение многих целей по дискретно получаемым данным, но для сопровождения каждой из целей станция должна иметь отдельный канал, начинающийся с выхода приемного устройства. Этот канал включает в себя систему автоматического сопровождения.

На вход отдельной системы должны поступать сигналы, отраженные только от одной выбранной цели. Для этого канал открывается селекторными импульсами, вырабатываемыми специальным генератором (см. рис. 8.11), и пропускаются отраженные импульсы только от одной сопровождаемой цели.

Исполнительное устройство, подавая выходной сигнал на генератор селекторных импульсов, обеспечивает соответствующее плавное перемещение селекторного импульса в интервале между облучениями,

так что положение селекторного импульса к моменту поступления сигнала от выбранной цели будет совпадать с положением отраженного сигнала от этой цели.

Структурная схема системы автоматического сопровождения цели по дальности. Прежде чем составить структурную схему системы, выполним некоторые преобразования ее функциональной схемы. В исходной функциональной схеме (рис. 8.

13, а) системы один из импульсных элементов (РЛС) включен вне замкнутого контура системы, а второй (генератор опорных полустробов) — в обратную цепь ее замкнутого контура. Оба импульсных элемента относятся к временным импульсным элементам. С выхода этих элементов сигналы поступают на временной дискриминатор.

Однако выходное напряжение временного дискриминатора (сигнал рассогласования) представляет собой не временно-модулированную последовательность импульсов (как на его входе), а амплитудно-модулированную, т. е. во временном дискриминаторе происходит преобразование одного вида импульсной модуляции в другой.

Поскольку основным сигналом системы является сигнал рассогласования, то, очевидно, не изменяя динамические свойства системы, можно заменить отмеченные ИЭ с ВИМ одним амплитудным ИЭ, включенным на выходе элемента сравнения и осуществляющим амплитудную модуляцию последовательности импульсов непрерывно изменяющейся ошибкой системы.

Коэффициент усиления этого импульсного элемента в соответствии с формулой (8.2) равен (где — коэффициент усиления временного дискриминатора). Преобразованная функциональная схема импульсной системы автоматического сопровождения цели по дальности изображена на рис. 8.13, б.

Для составления структурной схемы системы необходимо ее элементы заменить динамическими звеньями. В простейшем случае усилитель-преобразователь представляется пропорциональным звеном, а исполнительный двигатель — интегрирующим звеном. Структурная схема такой простейшей системы изображена на рис. 8.14, а. Как видим, система содержит одно интегрирующее звено, т. е.

является астатической системой первого порядка астатизма. В такой системе устраняется лишь ошибка по положению. Передаточная функция непрерывной части системы (рис. 8.14, а) Дня устранения установившейся скоростной ошибки обычно в систему в качестве корректирующего устройства вводят второе интегрирующее (чаще всего электронное) звено (рис. 8.14, б).

Передаточная функция непрерывной части системы в этом случае

или

Основными свойствами систем являются измерение ошибки только в дискретные моменты времени; в промежутках между двумя

Рис. 8.14. Структурные схемы импульсной системы автоматического сопровождения цели по дальности с одним (а) и двумя (б) интегрирующими звеньями.

последовательными измерениями система управления действует соответственно со значением ошибки, измеренным в конце предыдущего интервала.

Источник: http://scask.ru/p_book_saup.php?id=76

Система автоматического сопровождения целей

Исследование систем автоматического сопровождения по дальности. Андронников В.Б.

Антенная решетка в режиме слежения за целью

Фазированная антенная решетка (АР) состоит из некоторого числа множества элементарных антенн. Фазовые центры этих антенн могут располагаться либо на плоской поверхности, либо на поверхности специальной формы, например, сферической, цилиндрической или эллиптической.

Если принятые с заданного направления колебания на выходах каждой из элементарных антенн синфазно просуммируем, то получим результирующую диаграмму направленности, максимум которой будет ориентирован в этом направлении (рис. 3.30).

Ширина диаграммы будет приближенно равной величине , где – длина волны, – внешний размер АР.

Рис. 3.30. Диаграммы направленности АР в режиме слежения

за целью

Для формирования такой диаграммы направленности необходимо подобрать в канале каждой из антенн такие задержки сигналов (или повороты фаз), чтобы все полученные сигналы стали синфазными. Так в АР, показанной на рис.3.30, задержка сигналов в нижней антенны в управляемой задержке ЛЗ должна быть равной величине запаздывания сигнала в канале верхней антенны.

В узкополосных системах линии задержки заменяются управляемыми фазовращателями. Синфазное суммирование можно выполнить на высокой частоте и на промежуточной частоте. В частности синфазное суммирование можно обеспечить на промежуточной частоте за счет применения следящих систем ФАП(ч) (рис. 3.31).

В системе, показанной на рис. 3.31, сигнал, отраженный от цели, поступает на антенную решетку.

  Рис. 3.31. Адаптивная антенная решетка

На промежуточной частоте фазы сигналов в каналах каждой из антенн будут одинаковыми за счет слежения каждой из систем ФАП(ч) за фазой сигнала принятого первой антенной. В результате этого в схеме происходит синфазное сложение всех сигналов, что эквивалентно формированию максимума результирующей диаграммы направленности в направлении на движущуюся цель (рис. 3.30).

В современных системах все чаще формируют сигналы пропорциональные комплексным амплитудам принятых колебаний и осуществляют суммирование в компьютерах на сверхнизкой частоте, соответствующей медленным изменениям комплексных амплитуд.

по дальности (АСД)

В этих системах, входящих в состав радиолокационных станций (РЛС), слежение осуществляется за временем задержки как параметром сигнала, отраженного от цели. В них управлению подлежит время слежения как параметр, имеющий аналогичную физическую природу.

Система автоматического сопровождения целей по дальности (АСД) представляет собой как бы следящий фильтр, но не в частотной, а во временной области. Рассмотрим принцип ее действия. Радиопередающее устройство РЛС излучает в окружающее пространство серию зондирующих импульсов (рис. 3.32) с периодом повторения ТП.

Отраженные от цели импульсы возвращаются в радиоприемное устройство РЛС через некоторое время = .

Дальность до цели . Измеряя время в соответствии формулой , определяем дальность .

Рис. 3.32. Радиолокационные сигналы (зондирующие, отраженные от цели (ОИ) и открывающие приемник (ИОП))

Однако импульсы, отраженные от цели, особенно от цели, находящейся на большом расстоянии, имеют очень малую мощность, часто сравнимую с мощностью помех, что приводит к снижению точности определения времени задержки .

Одним из методов повышения помехоустойчивости РЛС и повышения точности измерения времени является операция стробирования приемника по дальности, т.е.

открывания приемника в те моменты времени, когда приходит ответный импульс (ОИ) (рис. 3.32), отраженный от цели.

Помехоустойчивость приема существенно повышается, так как “отсекаются” помехи, которые имеют место в то время, когда приемник закрыт. Но как определить эти моменты времени?

Одним из способов выполнения этой задачи является непрерывное слежение за положением отраженного импульса. Задача эта решается системой АСД следующим образом. В схеме РЛС с помощью специального генератора стробирующих импульсов (ГСИ) формируются два импульса, называемые стробами.

Иногда их называют селекторными импульсами. Эти импульсы обычно одинаковы по длительности и расположены во времени так, что задний фронт первого строб-импульса совпадает с передним фронтом второго строб-импульса. К этим стробам жестко привязан импульс открывания приемника (ИОП).

Основной задачей системы АСД является совмещение линии стыковки стробов с серединой импульса, отраженного от цели (рис. 3.33).

Если линия стыковки стробов не совпадает с серединой отраженного от цели импульса, то в схеме вырабатывается сигнал ошибки, пропорциональный разности площадей левой и правой половин ответного импульса, разделенного линией совмещения стробов.

Этот сигнал ошибки по цепи отрицательной обратной связи заставляет двигаться эти стробы так, чтобы линия их стыковки совместилась с центром импульса. Вместе со стробирующими импульсами перемещается жестко связанный с ними импульс открывания приемника.

Рис. 3.33. Временное положение импульсов в АСД

В начале работы РЛС включается режим поиска, при котором стробы быстро перемещаются по всему периоду следования зондирующих импульсов, пока не “зацепятся” за пришедший импульс, и уже после этого начинает работать система автоматического сопровождения цели по дальности.

Функциональная схема системы АСД

На рис. 3.34 изображены функциональные схемы системы АСД.

а

б

Рис. 3.34.Функциональные схемы системы АСД

Принятый сигнал усиливается в УВЧ, смешивается в смесителе СМ с сигналом гетеродина Г, усиливается в УПЧ, детектируется в детекторе Д и усиливается в видеоусилителе ВУ. После этого видеоимпульсы поступают в систему АСД.

Чувствительным (измерительным) элементом АСД является временной дискриминатор ВД. На временной дискриминатор с одной стороны (с видеоусилителя), поступает продетектированный импульс, отраженный от цели (ОИ), а с другой – два строб–импульса с генератора стробирующих импульсов ГСИ.

На выходе дискриминатора формируется сигнал (напряжение), пропорциональный времени , т.е. сдвигу между линией стыковки стробов и серединой импульса, отраженного от цели.

Этот сигнал обрабатывается в ФНЧ, где он в частности очищается от шумов и затем поступает на устройство регулируемой задержки УРЗ, которое управляет генератором стробов ГСИ и пропорционально напряжению ФНЧ сдвигает стробы до тех пор, пока не станет равным нулю.

Генератор импульсов, открывающих приемник ГИОП, вырабатывает импульс ИОП открывания УПЧ. Этот импульс жестко связан со стробами и перемещается по тому же закону, что и стробы.

Схема на рис. 3.34, б соответствует структуре обобщенной схемы системы управления, показанной на рис. 1.1. Объектом управления здесь является генератор стробирующих импульсов ГСИ, измерительным элементом ИЭ — временной дискриминатор ВД, усилительно-преобразова-тельным устройством – УРЗ.

Рассмотрим основные элементы функциональной схемы.

Источник: https://studopedia.su/14_62370_sistema-avtomaticheskogo-soprovozhdeniya-tseley.html

Система автоматического слежения по направлению

Исследование систем автоматического сопровождения по дальности. Андронников В.Б.

Изменение угловых координат движущихся объектов осуществляется системой автоматического сопровождения по направлению (АСН).

Направление на объект определяется двумя угловыми координатами: азимутом (угол в горизонтальной плоскости) и углом места (в вертикальной плоскости).

Если с неподвижным основанием антенны совместить систему координат, то угловое положение антенны относительно этого основания определит азимут объекта в горизонтальной плоскости и угол места объекта в вертикальной.

Для обеспечения поворота антенны в двух плоскостях выходных оси двигателей азимутальной и угломестной следящих систем соединены с антенной посредством карданного повеса.

Система АСН состоит из приемопередающего устройства, направленной антенны и двухканального следящего привода этой антенны, посредством которого осуществляется поворот антенны в двух плоскостях – азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной).

Таким образом, система АСН состоит из двух следящих систем, в каждой из которых входной величиной является угловая координата (азимут или угол места) движущегося объекта, а выходной величиной – угол, определяющий положение равносигнального направления (РСН) в азимутальной или угломестной плоскости.

В АСН применяют антенны направленного действия (параболические зеркальные или антенные решетки).

Антенная система АСН совместно с приемопередающим устройством образует угловой дискриминатор (УД).

Пеленгационная характеристика АСН в каждом канале формируется обычно из двух диаграмм направленности (ДН), смещенных относительно РСН на некоторый угол (рис. 3.21а).

На рис. 3.21б показано, как из исходных ДН f1(q) и f2(q) получаются суммарная f+(q) и разностная f–(q) ДН. Из графика f–(q) видно, что разностная ДН напоминает дискриминационную характеристику.

В результате в итоговой ДН сформировано РСН, обладающее тем свойством, что при совпадении его с направлением на объект ошибка на выходе УД будет равна нулю.

При смещении объекта относительно РСН (Dq) возникает угловое рассогласование x(t), и на выходе УД появляется напряжение ошибки(t), пропорциональное рассогласованию:

(t) = kУД x(t) = kУД Dq , (3.21)

где kУД – коэффициент преобразования УД, а Dq – угловое смещение объекта наблюдения (например, в канале угла места) относительно РСН.

На рис. 3.22 приведена функциональная схема одного из каналов АСН, состоящая из УД, усилителя (У) и исполнительного двигателя (ИД) с редуктором (Р), управляющими положением антенны (А).

Для получения необходимых динамических характеристик следящей системы в ее состав введено корректирующее устройство Ккор , которое состоит из тахометрического моста, вырабатывающего напряжение, пропорциональное скорости вращения ротора ИД, дифференцирующей цепи и представляет собой цепь гибкой обратной связи (связи по ускорению), охватывающей У и ИД следящей системы.

Возникающее в результате движения объекта рассогласование x(t) (или Dq) преобразуется УД в напряжение ошибки (t), которое поступает на вход усилителя (У) следящей системы.

Под действием этого напряжения ротор двигателя (ИД) начинает вращаться, поворачивая через редуктор (Р) антенну (А) в соответствующей плоскости в сторону уменьшения рассогласования.

ИД с редуктором совместно со следящей антенной представляют собой неизменяемую часть системы АСН с заданными динамическими характеристиками, поэтому в качестве объекта управления системы АСН в динамическом отношении целесообразно рассматривать не саму антенну, а антенну и ИД с редуктором как единое целое. При этом динамические свойства антенны (момент инерции относительно выходной оси следящей системы и т. п.) учитывают при расчете постоянной времени ИД.

В зависимости от способа формирования РСН УД системы АСН подразделяют на две группы: УД с последовательным сравнением сигналов (УД с интегральным РСН) и УД с одновременным сравнением сигналов (УД с мгновенным РСН).

В УД первого типа антенной АСН формируется одна вращающаяся ДН, максимум которой смещен от продольной оси антенны (сечение этой ДН совпадает с ДН на рис. 3.21а).

Если направление на цель совпадает с РСН, то цель облучается импульсами одной и той же мощности, поэтому амплитуда отраженных от нее импульсов будет постоянной.

Если же движущийся объект смещается от РСН, то в моменты времени, разделенные интервалом времени, равному половине периода сканирования, отраженные от цели импульсы будут иметь различные амплитуды.

В итоге на выходах фазовых детекторов выделяется напряжение разности отраженных от цели импульсов. Анализ амплитуды и фазы полученного сигнала позволяет определить рассогласование с РСН и выполнить подстройку положения антенны в соответствующих каналах.

В моноимпульсных УД прием отраженных от цели сигналов осуществляется одновременно четырьмя антеннами (по две для пеленгации цели в каждой плоскости), и для каждой плоскости формируется свой независимый канал. В отличие от предыдущего типа УД, амплитудные флуктуации отраженного сигнала не влияют на точность измерения угла рассогласования. Упрощенная схема УД моноимпульсной АСН представлена на рис. 3.23.

Сформированные суммарная f+(q) и разностная f–(q) ДН поступают на соответствующие входы смесителей СМ, после фильтрации и усиления в УПЧ полученные сигналы сравниваются фазовым детектором (ФД).

(Dq)= k0 F(q) = k0 f–(q)/f+(q) = kУДk0Dq . (3.22)

Суммарная ДН позволяет нормировать пеленгационную характеристику при разных уровнях сигнала от целей и может быть использована в петле АРУ. Кроме того, для АРУ можно использовать информацию об изменении дальности цели от системы АСД.

Еще одна реализация АСН может быть построена на основе системы антенн, разнесенных в пространстве (разнесенный прием). В этом случае при отклонении цели от РСН будут различаться фазовые набеги в каналах приема, что используется для дальнейшей обработки и подстройки положения ДН антенн аналогично системам, рассмотренным выше (рис. 3.24).

Список рекомендуемой литературы:

[1,с. 7-18, 24-35; 2,с. 6-44; 4,с. 11-22, 33-42; 5,с. 45-73; 6,с. 52-72; 7, 8; 15,с. 4-20; 18,с. 11-30; 24, 26; 27,с. 25-32, 60-170; 28 36].

Контрольные вопросы

1. Для чего вводится обобщенная следящая САУ?

2. Назовите основные блоки обобщенной следящей САУ.

3. Запишите ПФ обобщенной следящей САУ по ошибке.

4. Запишите ПФ по возмущению обобщенной следящей САУ.

5. Объясните понятие «главная ПФ».

6. Чем отличаются характеристики разомкнутой и замкнутой САУ?

7. Опишите систему ФАПЧ.

8. Опишите систему ЧАП.

9. Дайте сравнительную характеристику ФАПЧ и ЧАП.

10. Опишите основные разновидности системы АРУ.

11. Дайте сравнительную характеристику прямой и обратной АРУ.

12. Какую амплитудную и регулировочную характеристику желательно реализовать в АРУ?

13. Дайте сравнительную характеристику основным разновидностям обратных систем АРУ.

14. Дайте характеристику системы сопровождения цели по дальности.

15. Опишите систему углового сопровождения цели.

16. Дайте характеристику системы слежения за временным положением импульса.

17. Опишите систему настройки контуров.

18. Приведите примеры построения дискриминаторов РАС различных типов.

19. Опишите основные участки дискриминационных характеристик.

20. Приведите примеры объектов управления РАС различных типов.

21. Как используется петля ЧАП в радиотехнических устройствах?

22. Приведите примеры использования петли ФАПЧ в радиотехнических системах.



Источник: https://infopedia.su/12x3cd0.html

Biz-books
Добавить комментарий