Анализ методов обнаружения и измерения координат объекта обнаружения



Основной задачей активного и пассивного радиолокационного измерителя координат является ее эффективное использование при обнаружении и измерении координат цели. При этом любой радиолокационный измеритель координат использует в своей работе определённые правила распространения радиоволн. Предположим, что радиоволна распространяется в свободном пространстве, которая представляет собой однородную, изотропную, недиспергирующую среду, в которой для всех точек этого пространства скорость распространения радиоволн одинакова, и не зависит от частоты колебания и поляризации волны. При этом среда распространения радиоволны будем рассматривать, как пространство между радиолокационным измерителем координат и объектом обнаружения. Наличие в среде определённых местных неоднородностей вносить определённые погрешности в процесс измерения характеристик цели, поэтому при решении задач обнаружения координат цели в обязательном порядке учитываются и характеристики среды распространения. Воздействие атмосферных условий является неотъемлемой характеристикой среды распространения, характеристики местных неоднородностей, такие как земляная поверхность также является определённой преградой для обнаружения координат объекта.

Определение координат объекта обнаружения есть операция о принятии определенного решения о наличии или отсутствии данного объекта в видимости работы радиолокационного измерителя координат в данном секторе, а также и обработки зондирующего сигнала [4]. Определения дальности до цели рассматривается в радиолокации, как измерение задержки электромагнитной волны — при ее распространении от радиолокационного измерителя координат до объекта обнаружения и обратно, а дальность цели есть расстояние — от радиолокационной станции до объекта обнаружения в момент ее облучения электромагнитной волной. Скорость распространения радиоволны — с в однородной, изотропной, недиспергирующей среде есть величина постоянная, следовательно, при использовании однопозиционного измерителя координат электромагнитная волна за время задержки проходит путь равный

(1)

Определить задержку электромагнитной волны в радиолокационном измерителе координат возможно с помощью трех способов: импульсный, частотный и фазовый метод.

В данном статье кратко рассмотрим каждый из представленных способ, а также выявим достоинства и недостатки использования конкретного способа при определении дальности объекта обнаружения.

Импульсный способ

Этот способ основывается на методах активной так и пассивной радиолокации. В этой статья мы будем рассматривать только активный метод, при котором радиолокационный измеритель координат использует сигнал в виде высокочастотного импульса с частотой повторения ., показанном на рисунке 1.

Рис. 1. Импульсный метод измерения дальности

Основным же условием такого способа является то, что , где — период повторения импульса, который равен . Т. к. при таком способе измерители координат передают периодическую последовательность импульсов, то определение дальности до объекта обнаружения представляет проблему [4]. Проблема заключается в том, что при условии, когда задержка вычисляется в определенном диапазоне и сбрасывается при каждом импульсе передачи.

Рассмотрим два условия при которых процесс измерения задержки будет повторяется с периодом

.

Первый случай, при котором задержка , следовательно при таком условии возникает ошибка измерения или диапазон неоднозначности, показанный на рисунке 2. Это означает, что возврат от первого импульса не будет получен до тех пор, пока не будет передан второй импульс [2]. Возврат начиная со второго импульса не принимается до тех пор, пока не будет передан третий импульс и так далее, но так как все передают импульсы одинаковые, и все полученные импульсы также одинаковы, получается, что связать полученный первый импульс с первой передачей импульса нельзя. Фактически, измеритель координат будет всегда сбрасываться при при каждой передаче импульса.

Рис. 2. Иллюстрация неоднозначного диапазона

Второй случай, когда задержка , то получается, что импульс отражается от объекта обнаружения и проходит через свой первый период повторения, и поэтому ошибка измерения отсутствует. При этом сектор, при котором происходит правильное измерение дальности, при периодическом сигнале будет иметь вид , где — сектор правильного измерения дальности, а с — постоянная константа (скоростью света).

Частотный способ

Такой способ базируется на изменениях частоты излучаемых электромагнитных колебаний за время распространения сигнала до отражающего объекта и обратно. Основным условием является, что источник сигнала излучает незатухающие колебания, а частота изменяется во времени, поэтому такой способ и формируется на частотной модуляции сигнала.

В этой статье будет рассмотрен самый простой частотный модуляции, когда она задана в виде линейной функции, т. е.

(2)

где — индекс частотной модуляции.

Рассмотрим случай, когда период модуляции , где , — период задержки сигнала, тогда время задержки сигнала объекта обнаружения , а

— период модуляции [1]. Следовательно, разницу частот излучаемого и принимаемого сигнала , вычислим с помощью выражений:

(3)

(4)

(5)

Рис. 3. Частотный способ измерения задержки сигнала

Рисунок 3 описывает изменения частоты излучаемых колебаний, которые представлены сплошной линией и принимаемых колебаний, обозначенных на рисунке пунктирной линией.

Для вычисления разницы частот используют специализированные радиоизмерительные приборы — частотомеры, которые выполнены в виде анализаторов спектра или специализированного оборудования спектроанализатора, при этом он будет фиксировать только среднюю частоту между импульсами за период модуляции. Обработка сигнала определяется с помощью быстрого преобразования Фурье. После вычисления разницы частот, определяют дальность до объекта обнаружения, с помощью формулы:

(6)

Частотный способ измерения дальности довольно сложно реализовать при измерении координат нескольких объектов, но при измерении небольшой дальности одного объекта обнаружения данный способ обеспечивает высокую точность измерения.

Фазовый способ

Фазовый способ также, как и импульсный используется как в активной, так и в пассивной радиолокации [3]. Он базируется на вычислении изменении фазового сдвига электромагнитных колебаний относительно фазы передающего сигнала, который возник при распространении этого сигнала до объекта обнаружения и обратно, относительно изучаемой задержки ., которая определяется из соотношения:

(7)

Рис. 4. Фазовый способ измерения дальности

Рассмотрим случай, когда от генератора колебаний на фазометр поступают два напряжения, при этом излучаемый сигнал имеет запишем в виде:

а принимаемый сигнал имеет вид:

где

— несущая частота, — начальная фаза излучения, - начальная фаза отражения, и — соответственно амплитуды излученного и принимаемого сигналов.

Рассмотрим случай, когда , то, следовательно определим , которая зависит от задержки

Получим, что задержка имеет вид:

(8)

После того, как будет вычислено значение задержки , можно определить и дальность объекта обнаружения, которое представлено в виде выражения:

(9)

Для вычисления разности фаз используют специализированное электронное устройство, которое сравнивает фазы излучаемых принимаемых сигналов [4]. Причем вычислить разность фаз можно на несущей частоте колебаний, с помощью частоты модуляции и на разнице частот двух вспомогательных частот колебаний.

Рассмотрим случай, когда разница фаз , такой случай приводи к неоднозначности измерения дальности с периодом

(10)

Основным недостатком фазового способа является то, что происходит случайное изменение фазы при отражении электромагнитного колебания от объекта обнаружения и весьма узкий диапазон однозначности измерения дальности при . Отличительной особенностью фазового метода является, то что он имеет высокую чувствительность к изменению задержки и дальности. Поэтому при решении практических задач и для надёжного устранения неоднозначности на всем диапазоне дальности используют многочастотные сигналы.

Заключение

В данной статье кратко был реализован аналитический обзор основных способов определения дальности координат объекта обнаружения. Проанализирован каждый способ по отдельности, определены их основные характеристики и методы реализации. Проведен анализ математической составляющей, на которых основываются способы [2]. В ходе анализа были выявлены основные достоинства и недостатки., каждого из описанных в статье способов. Для более эффективного использования определения координат объекта обнаружения следует более детально разбираться в каждом из рассмотренных способов. Для улучшения и более эффективного использования в радиолокационных измерителях координат используют одновременно все рассмотренные способы измерения координат объекта обнаружения.

Литература:

1. Бердышев В.П., Гарин Е.Н., Фомин А. Н. [и др.] Радиолокационные системы. — Красноярск: Сибирский Федеральный Университет, 2012
2. Гринкевич А. В. Радионавигация. — Минск: БГУИР, 2018
3. Федоров И. Б. Информационные технологии в радиотехнических системах. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011
4. Фомин А. Н., Тяпкин В. Н., Дмитриев Д. Д. [и др.] Теоретические и физические основы радиолокации и специального мониторинга. — Красноярск: Сибирский Федеральный Университет, 2016