Радиоавтоматика: основы теории и принципы построения автоматических систем, страница 14

Независимо от назначения угломерной следящей системы в ней осуществляется слежение за направлением прихода радиоволн. Информация о направлении (угле) может содержаться в амплитуде (амплитудные пеленгаторы) и фазе сигнала (фазовые пеленгаторы).

Рассмотрим принцип действия амплитудного пеленгатора, использующего так называемый суммарно-разностный метод пеленгования (наиболее точный из амплитудных методов). Функциональная схема пеленгатора представлена на рис. 6.1.

Принятый сигнал с выходов облучателей О₁ и О₂, смещённых относительно оси отражателя антенны на ±d, поступает на волноводный мост (ВМ), где формируются суммарный u_c(t) и разностный u_р(t) сигналы. Каждый из них обрабатывается своим приёмником (оба приёмника идентичны, а гетеродин является общим для обоих каналов). Для ослабления влияния флуктуаций амплитуды сигнала на точность пеленгования используется система АРУ, работающая по сигналу суммарного канала. Система АРУ стабилизирует амплитуду колебания на выходе каждого канала (выход УПЧ приёмника) на определённом уровне при изменении амплитуды принятого сигнала в широких пределах.

Рис. 6.1

Колебания с выходов приёмников обоих каналов поступают на фазовый детектор (ФД). Колебание u_cп(t) является опорным (его амплитуда в режиме слежения не зависит от направления прихода сигнала), а колебание u_pп(t) имеет амплитуду, зависящую от угла: если ось антенны точно совпадает с направлением на источник сигнала, то u_pп=0, так как сигналы, принятые на облучатели О₁ и О₂ равны по амплитуде; если же положение оси антенны не совпадает с направлением на источник (радиомаяк), то амплитуда u_pп>0. Чем больше угловое рассогласование между равносигнальным направлением (РСН) и направлением на источник, тем больше амплитуда выходного сигнала разностного канала. В зависимости от знака углового отклонения меняется фаза колебания u_pп(t) (изменение знака угла влечёт изменение фазы на p), что необходимо для работы автоматической системы.

На выходе ФД формируется постоянное напряжение, величина которого определяется значением углового рассогласования, а полярность – знаком рассогласования. Это напряжение усиливается и поступает в цепь управления исполнительным двигателем (ИД). Под действием управляющего напряжения U_у ротор двигателя начинает вращаться и через редуктор поворачивает отражатель антенны в сторону уменьшения рассогласования. В установившемся режиме антенна ориентируется так, что РСН совпадает с направлением на источник сигнала (с точностью до ошибки слежения). Измеряемый пеленг отсчитывается по углу поворота антенны относительно её платформы (если пеленг измеряется относительно направления на Север, он называется истинным).

     

Рис. 6.2

Составим структурную схему ССН, для чего проведём её математическое описание.

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.2, а) имеет двухлепестковый вид: f₁(a) и f₂(a) – так называемые парциальные диаграммы, соответствующие облучателям О₁ и О₂. Угол a, отсчитываемый относительно РСН (соответствует a=0), определяет угловое рассогласование антенны. Разнос лепестков пропорционален смещению d облучателей, а ширина каждого из лепестков определяется относительным размером антенны D/l (D – диаметр отражателя, l – длина волны): чем больше D/l, тем уже диаграмма.

Обозначим через a_ц – азимут (пеленг) цели, отсчитанный от направления на Север, а через  – оценку азимута, определяемую положением РСН (оси антенны). Тогда угловое рассогласование антенны относительно цели представим в виде

                              .                                                 (6.1)

Напряжение, пропорциональное a, формируется на выходе фазового детектора. Поэтому весь тракт от выхода антенны до выхода ФД можно полагать угловым дискриминатором (УД). Напряжение на выходе УД представим как

                    U_д(t)=U(a)+n(t,a),                                   (6.2)

где U(a) – постоянная (медленно меняющаяся) составляющая, обусловленная сигналом (дискриминационная характеристика); n(t,a) – помеха, обусловленная собственным шумом приёмников, а также внешними шумами (характеристики её в общем случае зависят от ошибки a).

Определим дискриминационную характеристику U(a), полагая, что фазовый детектор – перемножитель с коэффициентом передачи k_ф, а УД – безынерционный (по сравнению со следящим приводом, состоящим из усилителя, двигателя и редуктора)

                    U(a)=k_фU_pп(t,a)U_cп(t).                                       (6.3)

Колебания U_pп(t,a) и U_cп(t) синхронны (одна и та же промежуточная частота, так как гетеродин общий) и синфазны (фазовые характеристики приёмников идентичны) и отличаются лишь амплитудами

                                 (6.4)

Здесь U₀ – амплитуда сигнала на выходе суммарного канала (стабилизируется системой АРУ); U_p(a)и U_c(a) – зависимости амплитуды сигнала на входе от a соответственно для разностного и суммарного каналов; f_p(a)=f₂(a) – f₁(a) и f_c(a)=f₁(a)+f₂(a).

С учётом (6.4) перепишем выражение (6.3) в виде

                              .                                    (6.5)

Благодаря системе АРУ (при записи выражений (6.4) полагали, что она осуществляет идеальную стабилизацию), дискриминационная характеристика (рис. 6.2, б) не зависит от амплитуды принятого сигнала. Форма её определяется лишь видом парциальных диаграмм направленности f₁(a) и f₂(a), а также их угловым разносом. Если уровень сигнала достаточен для нормальной работы АРУ, то крутизна ДХ в точке a=0 сохраняется неизменной, что гарантирует постоянство характеристик следящей системы при флуктуациях амплитуды.

Ширина (раскрыв) дискриминационной характеристики 2Da определяет полосу захвата ССН. Если начальное угловое рассогласование превышает значение Da (по абсолютной величине), то для вхождения системы в режим слежения требуется осуществить предварительно поиск сигнала по направлению (путём поворота антенны до совмещения РСН с направлением на цель с точностью не хуже ±Da). При срыве слежения (из-за воздействия помех или вследствие потери сигнала) также возникает необходимость повторного поиска сигнала.