Радиолокация без формул, но с картинками - Размахнин Михаил Константинович (серии книг читать онлайн бесплатно полностью TXT) 📗
Отсутствие видимой симметрии в распределении фаз импульсов необходимо для лучшего качества сжатия. Чтобы осуществить укорочение такого сигнала, нужно задержать отрезки сигнала, пришедшие первыми, затем изменить фазы всех отрезков так, чтобы они совпали, и сложить эти отрезки. Задержку ранее пришедших отрезков, как и в первом случае, выполняет линия задержки, изменение фазы — фазовращатели, а сложение сфазированных отрезков — схема сложения (сумматор). Но если линия задержки для ЧМ сигналов должна иметь всего один вход и один выход, то линия задержки, применяемая для обработки сигналов с изменяющейся фазой (фазоманипулированных, сокращенно ФМ сигналов), имеет много выходов. Длина линии задержки должна быть такой, чтобы сигнал полностью размещался в ней. Для каждого отрезка сделан собственный выход. Отрезок сигнала, поступивший первым, медленно проходит всю линию задержки. Отрезок, расположенный в середине сигнала, пройдет только половину линии. А последний отрезок совсем не задерживается. Каждый из них дойдет до своего выхода, они одновременно выйдут из линии задержки и поступят на схему сложения. Если фаза отрезка нас устраивает (скажем 0 градусов), то на этом выходе фазовращатель не нужен. Если фаза противоположная, то ставим фазовращатель, который изменит ее до нужного значения. Вот мы и получили: все отрезки находятся в фазе и появляются одновременно. Значит, на выходе схемы сложения сигнал укоротится, а амплитуда его возрастет. Эффект тот же, что и для ЧМ сигнала.
Если отрезки попытаются выйти через другие выходы, то несимметрично расположенные фазовращатели будут поворачивать фазы отрезков как попало и на схему сложения поступит примерно одинаковое число отрезков с противоположными фазами, а сумма двух отрезков с противоположными фазами практически равна нулю. Поэтому и суммарный сигнал будет невелик. Именно для этого и нужна кажущаяся хаотичность взаимного расположения отрезков с разными фазами. Лишь в том случае, когда отрезки сигнала попадают в предназначенные для них выходы, мы получаем мощный сжатый сигнал. Все сигналы, у которых закон расположения отрезков с разными фазами не совпадает с выбранным нами законом, не будут сжаты в линии задержки, и выходной сигнал будет невелик. Согласование фильтра, построенного на основе такой линии задержки, с ФМ сигналом достигается расположением фазовращателей, в точном соответствии с размещением противофазных отрезков в сигнале.
Вот в общих чертах объяснение того, как сжимают длинный сигнал в согласованных фильтрах радиолокационных приемников. Этим мы достигаем сразу несколько целей. Во-первых, сигнал стал заметнее среди шумов, во-вторых, он значительно укоротился, а это, как мы уже знаем, повышает разрешающую способность радиолокационной станции.
Теоретически степень улучшения характеристик станции пропорциональна величине базы сигнала. Но чем больше база сигнала, тем сложнее его внутренняя структура. Например, фазоманипулированный сигнал с базой 1000 должен состоять из 1000 отдельных отрезков, фазы которых распределены по заданному закону. Но трудно создать фильтр, согласованный с таким сигналом. В настоящее время самый распространенный метод построения таких фильтров основан на использовании линий задержки с отводами, на каждом из которых должен стоять фазовращатель. Значит, нужно сделать 1000 отводов с линией задержки, разместить на них примерно 500 фазовращателей (около половины отрезков будет иметь фазу, которую не нужно изменять) и разработать довольно сложную схему сложения 1000 отдельных отрезков сигналов.
Но и это еще не все. Сигнал по мере прохождения линии задержки в значительной мере ослабляется — затухает. Это связано с большим поглощением колебаний в материалах, используемых для задержки сигнала. Так что изображенная на рисунке (стр. 94) ситуация не совсем точна. Если бы удалось нарисовать длинную линию задержки, у которой было бы 1000 выходов, то высота фигурок, изображающих сигналы, была бы разной Для правильной обработки всего длинного суммарного сигнала необходимо, чтобы все отрезки (сигналы с отдельных отводов) имели одинаковую амплитуду. Следовательно, на многих отводах, особенно в конце линии задержки, нам придется ставить усилители, которые будут выравнивать амплитуды сигналов. Значит, фильтр станет еще сложнее. Для предохранения этого сложного фильтра от колебаний температуры, сотрясений, воздействия соседних блоков приемника нужно предусмотреть еще целый набор устройств, так что задача создания согласованного фильтра для сложного сигнала с большой базой действительно очень трудна. Естественно, что теоретикам задали вопрос, нельзя ли как-то обойти эти трудности и сжимать сигнал, не используя сложные в изготовлении согласованные фильтры.
Можно сделать иначе
Сжатия сигнала можно добиться и с помощью более простого устройства — коррелятора. У коррелятора два входа. На один поступает принятый сигнал, а на второй — подают так называемый опорный сигнал. Для этого в момент излучения передатчиком зондирующего сигнала небольшую часть этого сигнала отводят с помощью линии задержки. Коррелятор как бы сравнивает поступающие сигналы, и если они одинаковы, то на выходе формируется узкий и мощный сигнал. Этот пик в точности совпадает с пиком на выходе согласованного фильтра. Если сигналы на входе коррелятора будут разными, то на выходе получается незначительный сигнал, почти не заметный на фоне шума.
Правда, мы пока что предполагали, что нам известно, когда нужно подать опорный сигнал на коррелятор. На самом деле, конечно же, так не бывает. Чтобы узнать момент подачи опорного сигнала на коррелятор, нужно знать дальность до отражающего объекта, а это именно и является конечной целью работы радиолокатора. Такой порочный круг нужно разорвать. Делается это так.
Будем с очень небольшими перерывами подавать на коррелятор опорный сигнал. Если в какой-то момент на антенну сигнал не поступает, то на коррелятор одновременно с опорным сигналом придет лишь шум, который всегда принимается антенной. И только когда опорный сигнал поступает на коррелятор одновременно с принятым отраженным сигналом, на выходе коррелятора появится мощный сжатый импульс. В этот момент мы и заметим на экране индикатора отметку от цели. Но для непрерывной подачи опорного сигнала нужны иногда довольно сложные схемы задержки и устройства циркуляции. Часто сложность таких схем становится сравнимой со сложностью согласованного фильтра, и это сводит на нет преимущества простой структуры коррелятора (обычный перемножитель и интегратор). У радиолокаторов, использующих для сжатия сигналов коррелятор, есть довольно важное преимущество. В них можно менять форму используемых сигналов. Для этого нужно изменить только генератор зондирующих сигналов в передатчике. Работу коррелятора такая замена не нарушит, так как опорный сигнал отводится от генератора и он изменится автоматически при смене излучаемого сигнала. В приемнике с согласованным фильтром это сделать нельзя, так как быстро перестроить сложную структуру устройства обработки практически невозможно.
Почему это свойство является преимуществом? Представьте себе действующий в боевой обстановке радиолокатор, который использует только один вид сигнала. Системы радиотехнической разведки противника, оснащенные чувствительными приемниками, непрерывно ведут наблюдение на всевозможных частотах за появляющимися в эфире РЛС. Если им удается принять большое число сигналов радиолокационной станции, то тогда можно установить такие важнейшие характеристики РЛС, как частота сигналов, их длительность и даже форма отдельных импульсов. Зная эти параметры, противник может с помощью мощных передатчиков излучить сигнал, не отличающийся от зондирующих. При этом на индикаторе появится одна или несколько ложных отметок от целей, которых просто не существует. Противник может использовать и другие методы для срыва работы радиолокационной станции, например, излучать мощные шумовые сигналы в диапазоне частот РЛС. В этом случае наблюдение и реальных и ложных целей становится попросту невозможным. Вот в таких случаях и проявляются все преимущества станций с корреляционной обработкой. Она может изменить форму сигналов и тем самым избежать вредного воздействия помех противника.
