ИНДИКАТОРЫ КРУГОВОГО ОБЗОРА СУДОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ РЛС

9.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДИКАТОРОВ КРУГОВОГО ОБЗОРА

Индикатор кругового обзора (ИКО) – оконечное звено судовой РЛС. Он предназначен для решения ряда задач:

воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки ИКО радиолокационного изображения о надводной окружающей обстановке на основе информации, получаемой от приемопередатчика, лага и гирокомпаса;

измерения координат надводных объектов;

оперативного управления и контроля работы приборов РЛС;

решения задач безопасного расхождения (при наличии антипараллаксного планшета или функции совмещения с САРП в данном типе РЛС) и др.

Потребителем информации может быть оператор, вычислительное устройство, моделирующее устройство, устройство автоматического сопровождения по углу и дальности и т.д. Если получатель информации человек, то отраженный от объекта сигнал должен преобразовываться индикатором в форму, способную воздействовать на его органы восприятия (зрение или слух).

На практике широкое применение получили индикаторы зрительного съема информации, когда оператор по наблюдаемым меткам на экране ЭЛТ судит о наличии объектов в зоне действия РЛС. К индикаторам зрительного съема информации можно отнести электронно-лучевые индикаторы и, широко применяемые в современных судовых навигационных РЛС, индикаторы с жидкостно-кристаллическим дисплеем или телевизионным экраном. Более подробно информация о индикаторах зрительного съема информации с применением жидкостно-кристаллических дисплеев и телевизионных экранов будут дана в главе 11 учебного пособия.

Рассмотрим классификацию индикаторов судовых навигационных РЛС.

Индикаторы судовых навигационных РЛС принято классифицировать по следующим признакам:

по типу используемых ЭЛТ;

по назначению РЛС;

по методу получения отметки цели;

по числу определяемых координат;

по типу применяемой развертки ЭЛТ.

По типу используемых ЭЛТ индикаторы бывают с электростатическим отклонением, у которых луч управляется электрическим полем, и с магнитным управлением луча. Первые более экономичны, имеют меньшую массу. Преимущество вторых – возможность получения большего отклонения электронного луча и большей яркости пятна при лучшей фокусировке. В зависимости от назначения индикатора в нем используется ЭЛТ с различным послесвечением (от долей секунд до минут).

По назначению РЛС различают индикаторы: обнаружения, обзора земной или водной поверхности, точного определения координат и др.

По методу получения отметки цели есть индикаторы с амплитудной и яркостной отметкой. При амплитудной отметке видеоимпульсы сигналов отклоняют электронный пучок перпендикулярно линии развертки, в результате чего на экране ЭЛТ получается всплеск светового пятна. В индикаторах с амплитудной отметкой целесообразно применять ЭЛТ с электростатическим управлением. При яркостной отметке цели видеоимпульсы сигналов увеличивают плотность тока в электронном пучке и тем самым повышают яркость свечения экрана. В индикаторах с яркостной отметкой целесообразно использовать ЭЛТ с магнитным отклонением, обладающие способностью сохранять хорошую фокусировку при большом токе в пучке.

По числу определяемых координат различают одно-, двух- и трёхмерные индикаторы. Индикаторы дальности или одной угловой координаты одномерные. К двумерным относятся индикаторы дальности и угловой координаты, получившие широкое применение в обзорных РЛС, а также индикаторы типа азимут – угол места, т.е. дающие 2 угловые координаты. Индикаторы трех координат целей позволяют определить дальность, азимут и угол места цели.

По типу применяемой развертки ЭЛТ различают индикаторы с линейной , круговой, радиально-круговой и спиральной разверткой, а также с разверткой в прямоугольных координатах (дальность – азимут, дальность – угол места, азимут – угол места и др.).

В судовых навигационных РЛС широкое применение получили ИКО с радиально-круговой разверткой с истинным и относительным движением. Этот тип развертки и ориентации имеет свои преимущества. Наблюдаемое радиолокационное изображение сравнительно легко воспринимается оператором, его легко идентифицировать с визуально наблюдаемой обстановкой в районе нахождения судна. При этом можно одновременно вести наблюдение и измерение координат нескольких целей.

Взаимное расположение отметок от целей на экране ЭЛТ, их конфигурация облегчают опознавание и идентификацию с изображением картографической информации и др.

Радиально-круговая развертка в полярных координатах создается путем перемещения луча ЭЛТ от центра к краю экрана с одновременным вращением его в азимутальной плоскости. За каждый период следования импульса луч из центра ЭЛТ прочерчивает линию развертки дальности и возвращается обратно. Линии развертки дальности начинаются с центра и смещены по азимуту одна относительно другой в соответствии с изменением угла поворота антенны за период следования импульсов развертки. Угол поворота радиальной линии развертки за время одного периода следования равен:

b = W T_И = 6n T_И .

где W - угловая скорость обзора, °/с;

n – частота вращения антенны, мин^-1;

Т_И – период следования зондирующих импульсов.

Так как развертка электронного луча по дальности осуществляется с частотой следования зондирующих импульсов F_И, а поворот ее происходит медленно со скоростью вращения антенны, то линии радиальной развертки частично перекрывают друг друга. Поэтому на экране ЭЛТ наблюдается яркостная линия развертки, непрерывно вращающаяся синхронно с вращением антенны.

Отраженный от цели сигнал после обработки приемным устройством модулирует луч ЭЛТ и наблюдается на развертке в виде яркостной отметки. Ее расстояние от центра развертки соответствует дальности до наблюдаемого объекта, так как

.

При синхронном и синфазном вращении антенны и линии развертки в любой момент времени направление антенны в сторону объекта соответствует положению в азимутальной плоскости линии развертки. Поэтому середина отметки в направлении линии развертки соответствует угловой координате. Это позволяет по положению цели на экране определять расстояние до объектов и их курсовые углы. Полярные развертки используются в ИКО и в индикаторах секторного обзора в судовых и береговых РЛС.

В зависимости от способа создания вращающегося отклоняющего магнитного поля применяются ИКО с вращающейся отклоняющей системой и с неподвижной отклоняющей системой.

9.2. ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИКО

Конкретные функциональные и электрические схемы ИКО судовых навигационных РЛС отличаются друг от друга как конструктивно, так и по составу отдельных блоков. Однако во всех индикаторах имеются тракты, каналы, которые выполняют одинаковые или близкие функции, общие для большинства судовых ИКО. Это позволяет рассмотреть принцип работы ИКО и отдельных ее каналов с помощью обобщенной структурной схемы (рис. 9.1) и временных диаграмм (рис. 9.2).

Индикатор кругового обзора состоит из следующих основных каналов и блоков.

Блок электронно-лучевой трубки (оконечный) состоит из ЭЛТ, отклоняющих систем (ОС) и смещающих катушек (СмК). Он предназначен для отображения информации об окружающей обстановке в различных режимах. На ЭЛТ также индицируются метки дальности, линии электронного визира направления (ЭВН) и отметки курса, позволяющие определять координаты интересующих целей, дающие наглядное представление о масштабе изображения, о его ориентации относительно диаметра судна или направления на север.

Канал основной развертки – ОР и развертки визира – РВ вырабатывают импульсы пилообразного тока для создания основной развертки (I_О.Р.) и развертки визира (I_P.B.) (см. рис. 9.2). Эти импульсы, проходя через катушки отклоняющей системы (ОС), создают магнитные поля. Последние отклоняют луч ЭЛТ по радиусу от центра к краю экрана.

Для исключения взаимного влияния магнитные поля основной развертки и развертки визира разделены по времени. Как показано на рис. 9.2, импульсы синхронизации (и_и.с.) запускают канал формирования основной развертки и лишь после окончания обратного хода развертки импульсы синхронизации развертки визира (и_р.в.) запускают канал развертки визира.

Вращающееся магнитное поле создается для образования радиально-круговой развертки двумя способами. При первом способе ОС, находящаяся на горловине ЭЛТ, вращается синхронно и синфазно с вращением антенны. Во втором случае на ОС подаются последовательности пилообразных импульсов тока, промодулированных вращением антенны со сдвигом фазы на p /2.

Естественно, что структура построения основной развёртки в значительной степени зависит от применяемого метода создания вращающегося магнитного поля.

Судовая навигационная РЛС обычно имеет несколько шкал дальности, т.е. радиус экрана трубки соответствует различным масштабам. Переход с одной шкалы дальности на другую достигается за счет изменения скорости развертки прямого хода луча путем изменения крутизны импульсов пилообразного тока.

Канал синхронизатора вырабатывает импульсы синхронизации (и_и.с.), частота следования которых зависит от включенной шкалы дальности. Выходные импульсы синхронизируют работу каналов основной развертки и развертки электронного визира, подвижных и неподвижных меток дальности, а также блоков приемопередатчика. Время выработки указанными каналами выходных сигналов различное. Поэтому момент запуска трактов выбирается так, чтобы начало излучения зондирующего импульса совпадало с началом создания развертки, меток неподвижных визиров дальности (НВД) и подвижных визиров дальности (ПВД). Это позволяет исключить ошибки в определении дальности до объекта, зависящие от неточности временного согласования в различных каналах.

Канал подвижного визира дальности – ПВД создает импульс с переменной задержкой и_п.в.д. (см. рис. 9.2). Подвижная электронная отметка на экране наблюдается в виде кольца с изменяющимся диаметром. При его совмещении с отметкой от объекта с помощью отсчетного устройства определяется точное расстояние до цели.

Канал неподвижных визиров дальности – НВД вырабатывает импульсы, расстояние между которыми для каждой шкалы дальности известно. На экране при вращении развертки наблюдается кольца, которые позволяют грубо, но быстро определять расстояние до интересующих объектов.

В РЛС со смещением центра для отсчета углового положения объекта пользоваться механическим визиром трудно. Поэтому используется электронный визир направления (ЭВН). Схема электронного визира направления работает совместно с ПВД. Электронный визир направления представляет собой видимую линию, начало которой совпадает с началом развертки. Линия с помощью ручки (например, «Пеленг») или клавиши управления поворачивается на 360° относительно начала развертки. Совмещая середину отметки от цели с линией ЭВН, получают курсовой угол (или пеленг) на цель. Механическое или электронное отсчетное устройство позволяет получить числовое значение углового положения цели. В некоторых типах РЛС предусмотрен режим автоматического отслеживания электронного визира за перемещающейся целью.

Блок истинного движения – ИД позволяет создать режим истинного движения, при котором отметки целей от неподвижных объектов неподвижны, а подвижные объекты, включая собственное судно, перемещаются с истинной скоростью.

На основании данных лага и гирокомпаса блок ИД вырабатывает токи, пропорциональные составляющим пути судна в координатных осях север – юг, запад – восток. Эти токи, протекая через перемещающиеся катушки ЭЛТ, перемещают начало развертки в направлении и со скоростью собственного судна. При этом автоматически из векторов относительной скорости цели вычитается вектор скорости собственного судна, т.е. получается режим истинного движения. Смещающиеся катушки используются также для смещения начала развертки в любую точку экрана в режиме истинного движения. Это позволяет увеличить зону обзора в более крупном масштабе.

К каналу управления и настройки относятся органы управления, которые находятся в основном на пульте управления индикатора. Они выполняют следующие функции: включение и выключение станции; настройку и регулировку изображения; оперативное управление станцией, контроль работоспособности станции и др.

Органы управления и выключения станции состоят из тумблеров и кнопок включения питания станции и отдельных блоков, подключения лага и гирокомпаса и др.

Настройка и регулировка изображения осуществляется органами настройки режима работы ЭЛТ, приемника, согласования гирокомпаса.

К органам оперативного управления относятся переключатели, тумблеры и кнопки, которые наиболее часто используются в процессе работы для переключения шкал дальности, снятия отсчетов по углу и дальности, изменения режимов работы, ориентации и др.

Органы управления и сигнализации позволяют контролировать и проверять работоспособность сменных узлов и блоков, источников питания с помощью показателей измерительного прибора и световой сигнализации.

Большинство судовых навигационных РЛС имеют следующие режимы стабилизации: «Курс», «Север», «Курс стабилизированный».

В режиме «Курс» изображение ориентировано относительно диаметральной плоскости по курсу. В режиме «Север» изображение ориентируется относительно истинного меридиана. В режиме «Курс стабилизированный» изображение стабилизируется в пределах угла в несколько градусов, что устраняет эффект «смазывания» изображения при рыскании судна. Режимы стабилизации переключаются путем включения в цепь связи антенны и развертки сельсина-приемника гирокомпаса, который «доворачивает» магнитное поле ОС. Этот процесс осуществляется в устройстве переключения ориентации (УПО).

Схема отметки курса в момент прохождения середины диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости через диаметральную плоскость судна выдает импульс. Он отбивает на экране метку в виде светящейся радиальной линии. Линия отметки курса улучшает опознавание ориентации изображения. В режиме «Курс» она отбивает метку в направлении нуля лимба неподвижной шкалы, в режиме «Север» линия отметки курса отбивается в направлении истинного курса.

Схема подсвета прямого хода развертки вырабатывает прямоугольные импульсы, подаваемые через каскады смещения на модулирующий электрод ЭЛТ. Это позволяет наблюдать изображение и дополнительные метки только во время прямого хода развертки. Различные сигналы во время обратного хода разверток t_о.х., представляющие помеху для наблюдения, на экране не отражаются.

Принятые сигналы от приемника поступают в тракт видеоусилителя и смесителя, где осуществляется смешивание с метками НВД, ПВД, ОК, импульсами подсвета, усиление их до необходимого значения и подача на электрод ЭЛТ. Приходящие от объектов импульсы модулируют электронный пучок и создают на экране яркостные отметки. Таким образом, на ИКО наблюдается круговая обстановка в виде радиолокационного изображения совместно с метками НВД, ПВД, ОК и ЭВН (рис. 9.3).

9.3. РАДИАЛЬНО-КРУГОВАЯ РАЗВЕРТКА С НЕПОДВИЖНОЙ ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ

Определим, по какому закону должны изменяться огибающие пилообразных токов, протекающие через две взаимно перпендикулярные неподвижные катушки, чтобы получить результирующее вращающееся поле.

Если центр системы координат совместить с центром ЭЛТ (рис. 9.4), то координаты любой точки экрана можно выразить через угол a следующим образом:

} 0 £ a £ 2p

Длина развертки R определяется диаметром ЭЛТ и на всех шкалах постоянна, а ее угловое положение в каждый момент времени при очередной посылке зондирующего импульса характеризуется углом a. Для каждой точки М(x,y), лежащей на окружности с радиусом R, данное выражение можно записать:

Обозначив число витков каждой пары отклоняющих катушек через w, а чувствительность трубки – через k, можно получить законы изменения питающих токов:

Откуда

Угловое положение антенны и развертки в любой момент времени должно быть одинаковым, т.е. . Поэтому при вращении антенны с угловой скоростью W амплитуда питающих токов катушек модулируется по закону

где W t – угол поворота антенны.

Закон изменения токов, проходящих через отклоняющие катушки, и вращение вектора результирующего магнитного поля показаны на рис. 9.5.

При пропускании через ортогональные катушки пилообразных токов, промодулированных вращением антенны по синусоидальному и косинусоидальному законам, вектор результирующего магнитного потока Ф_р, являющийся геометрической суммой магнитных потоков катушек, будет вращаться с постоянной частотой, равной частоте вращения антенны. При этом мгновенное значение направления радиальной развертки будет совпадать с направлением максимума диаграммы направленности антенны в пространстве. Радиальное отклонение луча будет определяться мгновенным значением пилообразных токов в катушках. Технические способы реализации этого метода могут быть различны.

В зависимости от способа модуляции тока или напряжения развертки по закону вращения антенны различают два метода формирования пилообразных импульсов тока для питания катушек: с расщеплением фазы огибающей закона вращения антенны после генератора развертки и до генератора развертки. В первом случае модуляция тока или напряжения по закону вращения антенны осуществляется после генератора развертки, во втором - до генератора развертки.

Обычно расщепление фазы и модуляция по закону вращения антенны осуществляются с помощью различных модулирующих устройств: синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), вращающегося сельсина (ВС), емкостных делителей напряжения, синусно-косинусного потенциометра (СКП) и др. Модулятор меняет связь между входом и выходом в зависимости от положения антенны, связанной с модулирующим устройством.

Широкое распространение получили индуктивные фазорасщепляющие устройства в виде сельсинов-трансформаторов с однофазным ротором и трехфазным статором и вращающиеся трансформаторы. Последние позволяют получить два промодулированных напряжения с фазовым сдвигом огибающих на угол 90° в диапазоне длительности импульса 30 – 2500 мкс.

Основной недостаток индуктивных фазорасщепителей – потеря постоянной составляющей импульсного напряжения, что приводит к смещению начального положения развертки. Это явление устраняется применением восстановителей постоянной составляющей.

Емкостные модулирующие устройства применяются реже, так как для них характерны значительные искажения на низших частотах, что ухудшает линейность пилообразного напряжения.

Фаза огибающих токов, питающих отклоняющие неподвижные катушки, может расщепляться после генератора пилообразного напряжения. Причем можно осуществлять расщепление фазы огибающих пилообразного тока на выходе усилителя тока или расщепление фазы огибающей импульсов пилообразного напряжения до усилителя импульсов тока.

Рассмотрим реализацию метода формирования развертки с расщеплением фазы пилообразного тока на примере создания развертки ИКО РЛС «Лоция» (рис. 9.6).

Импульс синхронизации ИС через линию задержки ЛЗ, обеспечивающей временное согласование развертки и зондирующего импульса, трансформатор Т1 поступает на управляющий электрод тиристора V1 схемы формирования развертки. Тиристор открывается и замыкает цепь: «+» источника питания развертки G, масштабный дроссель, диодные фиксирующие мосты М1 и М2, ротор ВС, корпус, анод тиристора V1, конденсатор С1, «–» источника питания развертки G.

В момент включения ток в указанной цепи начинает изменяться по синусоидальному закону. Для создания развертки используется начальный линейный участок синусоиды (рис. 9.7).

Длительность пилообразного импульса развертки меняется на различных шкалах путем переключения индуктивности масштабного дросселя и подключения дополнительной зарядной емкости параллельно конденсатору С1.

В зависимости от шкалы дальности в момент времени t₁ или t₂, когда заряд конденсатора С1 достигает U₁, тиристор V1запирается – прекращается прямой ход развертки.

К началу следующего хода развертки (см. рис. 9.6) конденсатор С1 разряжается по цепи: «+» С1, резистор R1, первичная обмотка трансформатора Т2, открытый тиристор V2, «–» С1. Тиристор V2 открывается после рабочего хода импульсом, выработанным специальной схемой формирования импульса запуска тиристора разряда емкости. Энергия разряда конденсатора С1 частично используется для выработки высокого напряжения, питающего анод ЭЛТ, остальная часть гасится на резисторе R1.

В качестве модулирующего устройства используется ВС, роторная обмотка которого жестко связана с антенной. Через роторную обмотку ВС протекает ток пилообразной формы с частотой, равной частоте следования зондирующих импульсов. При этом огибающие токов статорных обмоток ВС будут отличаться по фазе на 90°. Статорные обмотки подключены к отклоняющим катушкам. Токи ОК создают результирующее магнитное поле, которое будет изменяться во времени по пилообразному закону и поворачиваться синхронно с антенной, создавая радиально-круговую развертку.

Рассмотренная схема получения радиально-круговой развертки, несмотря на простоту, имеет ряд недостатков.

Во время получения очередного зондирующего импульса развертка ИКО должна начинаться с центра экрана. Однако при трансформации пилообразного тока через ВС происходит потеря постоянной составляющей, что неизбежно вызывает смещение начала развертки. Устранить это можно с помощью фиксирующих схем, в качестве которых применяются диодные мосты М1 и М2.

Статорные обмотки ВС к соответствующим отклоняющим катушкам подсоединены через диодные мосты, которые во время прямого хода открыты (точки a и b эквипотенциальны). После запирания тиристора V1 фиксирующие мосты тоже запираются. Активное сопротивление цепи катушек быстро возрастает, что в свою очередь к моменту излучения следующего импульса снижает ток в отклоняющих катушках до нуля, поэтому очередная развертка начинается с центра.

Рассмотрим получение радиально-круговой развертки методом расщепления фазы модулирующего напряжения вращения антенны до генератора пилообразного напряжения с помощью структурной схемы (рис. 9.8), применяемой для создания развертки в РЛС «Океан» и ее модификаций.

Синусно-косинусный вращающийся трансформатор СКВТ, ротор которого вращается синхронно и синфазно с антенной, питается переменным напряжением .

На выходе индуктивного модулирующего устройства получаются 2 напряжения, огибающие которых по фазе сдвинуты на угол p /2 (рис. 9.9, а и б):

Огибающая промодулированного по закону вращения антенны напряжения выделяется с помощью ФВЧ:

где q - коэффициент пропорциональности.

Форма напряжений U₁ – U₄ показана на рис. 9.9, в,г.

Полярность выпрямленного напряжения соответствует фазе входного сигнала по отношению к опорному напряжению. Напряжения U₃, U₅ и U₄, U₆ прикладываются к нормально замкнутым ключам S1 и S2 (см. рис. 9.8), которые открываются отрицательными импульсами подсвета прямого хода развертки в момент излучения зондирующего импульса. Длительность импульсов подсвета U₇ зависит от шкалы дальности (рис. 9.9, д). Таким образом, на выходе ключей (рис. 9.9, е) получаются прямоугольные импульсы напряжения, амплитуда и полярность которых в данный момент зависят от огибающей модулирующего напряжения, а длительность – от шкалы дальности. Такая последовательность импульсов напряжения через дроссели прикладывается к соответствующим отклоняющим катушкам, формируя в них пилообразные токи (рис. 9.9, ж). После окончания воздействия импульса подсвета ключи запираются. Энергия, запасенная в индуктивностях дросселей и обеих катушек, гасится в специальной разрядной цепи.

В зависимости от шкалы дальности масштаб развертки изменяется путём изменения длительности импульса подсвета прямого хода развёртки. Одновременно переключаются секции дросселей и отклоняющих катушек, что позволяет сохранить постоянной амплитуду тока отклонения на различных шкалах. Для получения линейной развертки активное сопротивление дросселей и обмоток должно быть минимальным.

В цифровых развертках непрерывное радиально-круговое перемещение на экране трубки заменяется линейно ступенчатым перемещением луча в виде ступенчатой функции. Размер дискретного перемещения луча должен быть в 2 – 3 меньше диаметра d_п сфокусированного луча на экране ЭЛТ (рис. 9.10).

В этом случае радиальная развертка воспринимается как непрерывная. Ступенчатая функция формируется путем приращений двух цифровых пилообразных функций с крутизной нарастания, пропорциональной синусу и косинусу угла поворота радиально-круговой развертки.

Трак цифровой развертки (рис.9.11) состоит из датчиков импульсов приращения угла поворота антенны ДИП, узла формирования пеленга антенны ППА, узла адреса синуса и косинуса АСК, генератора линейных функций ГЛФ, узла реверсивных счетчиков СЧР, цифроаналоговых преобразователей ЦАП, усилителей тока развертки УТР, мощности УМ, и отклоняющей системы ОС.

Датчик импульсов приращения угла поворота антенны предназначен для преобразования текущего приращения курсового угла антенны в пропорциональное приращение импульсов. ДИП на своем выходе формирует последовательность импульсов грубого отсчета (ГО) – один импульс за оборот антенны и последовательность импульсов точного отсчета (ТО). Их частота зависит от требуемой точности передачи угла. Импульсы ГО обеспечивают однозначность отсчета импульсов приращения при каждом обзоре. Они соответствуют выбранному фиксированному направлению.

В узлах приращения пеленга антенны ППА импульсы ТО и ГО формируются по амплитуде и длительности, привязываются к сетке частот импульсов синхронизации. Сильные порывы ветра могут привести к кратковременному изменению направления вращения антенны, что может вызвать сбой в формировании цифровой развертки. Для исключения этого явления в блоке ППА вырабатывается код знака направления вращения антенны. Импульсы углового приращения антенны используются для формирования сигнала отметки курса, когда направление максимума диаграммы направленности антенны совпадает с диаметральной плоскостью судна.

Из узла ППА в узел адреса синуса и косинуса АСК поступает информация о импульсах приращения угла поворота антенны, их знаке, а также о линии отметки курса.

Узел адреса синуса и косинуса АСК предназначен для формирования импульсов угла поворота развертки. При этом суммируются приращение импульсов угла поворота антенны и приращение импульсов курса судна (последние поступают из блока преобразования курса и скорости ПКС из аналоговой формы в цифровой код) с учетом их знаков с помощью реверсивных счетчиков приращений угла развертки. Вид ориентации определяется сигналами управления из центрального процессора ЦП. Полученная информация в виде кода последовательности импульсов поступает в ЦП для извлечения из его постоянной памяти значений кодов синуса и косинуса угла поворота антенны. Эти значения переписываются в регистры узла генератора линейных функций ГЛФ.

В узле ГЛФ коды импульсов и косинусов угла поворота развертки дальности преобразуются в код приращений линейных функций развертки дальности следующим образом.

На вход ГЛФ также поступает последовательность импульсов, пропорциональная квантам дальности К_В. В результате их перемножений с кодами синусов (косинусов) угла поворота развертки Р_В формируется поток квантов приращения, частота повторения которых определяется кодом синусов (косинусов) угла поворота развертки.

Узлы реверсивных счетчиков СЧР предназначены для приема начальных координат развертки дальности (развертка может начинаться с центра экрана или с любой другой точки) и суммирования квантов приращения развертки. Полученная информация в виде кода поступает на вход цифровых преобразователей ЦАП. Последние преобразуют цифровую информацию в виде кода в аналоговую информацию в виде напряжения, которая используется для создания токов управления отклонением луча трубки при создании основной развертки.

В предварительных и оконечных каскадах усилителей тока развертки УТР обеспечивается усиление тока отклонения луча. Нагрузка усилителей – синусная и косинусная катушки отклоняющей системы, суммарное магнитное поле которых создает радиально-круговую развертку.

Применение цифровых методов создания радиально-круговой развертки позволяет реализовать высокую точность совмещения на ЭЛТ ИКО первичной и вторичной информации.

Цифровые методы построения разверток имеют ряд других преимуществ: в качестве элементной базы используются интегральные и логические схемы; обеспечивается высокая стабильность параметров, а также максимальная микроминиатюризация разверток; повышается надежность и долговечность работы канала разверток и др. Этот тип развертки применяется в системе автоматизированной радиолокационной прокладки (САРП) «Океан-С».

9.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Дальность до визируемого объекта, являющаяся одним из важнейших навигационных параметров, в судовых РЛС измеряется с помощью неподвижных визиров дальности (НВД) или подвижных визиров дальности (ПВД).

Метки дальности создаются на линии развертки путем подачи в определенные моменты времени кратковременных импульсов напряжения на модулятор или катод ЭЛТ. Во время радиального перемещения луча создаются на развертке яркие светящиеся точки. Импульсы подаются во время каждого прямого хода развертки, поэтому при вращении на экране ЭЛТ создаются масштабные кольца на заранее известном расстоянии.

Электронные масштабные метки бывают неподвижными и подвижными. НВД позволяют грубо, но быстро определить расстояние по интересующей цели по известному расстоянию между метками.

Подвижной визир дальности предназначен для точного определения расстояния до объекта. В момент совмещения ПВД с отметкой объекта с помощью отсчетного устройства оператор получает точное расстояние.

Рассмотрим методы создания неподвижных визиров дальности.

Число неподвижных электронных меток и расстояния между ними выбираются в зависимости от максимальной дальности и от расстояния, которое необходимо иметь между соседними метками. Если максимальная дальность обнаружения на данной шкале равна D_max , а расстояние между соседними кольцами дальности должно быть DD, то число меток:

Добавочная метка необходима в качестве нулевой, фиксирующей начало развертки или начало отсчета дальности на индикаторе. Расстояние между соседними метками дальности вдоль линии развертки

где l – длина развертки.

Каждая метка формируется из одного периода следования импульсов, поэтому период этого колебания Т₀ надо взять равным времени прохождения радиоимпульсом расстояния 2DD:

.

Частота собственных колебаний источника формирования НВД должна быть

.

В качестве примера на рис. 9.12 представлена функциональная схема получения неподвижных меток дальности судовой навигационной РЛС «Лоция».

Блок импульсов НВД запускается стартовыми импульсами через линию задержки ЛЗ, обеспечивающую совмещение нулевой метки дальности с зондирующим импульсом. Задержанный стартовый импульс через эмиттерный повторитель ЭП, используемый для согласования низкого входного сопротивления каскада генератора ударного возбуждения ГУВ с ЛЗ, подается на ГУВ. Синусоидальные колебания с выхода ГУВ ограничиваются усилителем-ограничителем УО и подаются на выходной каскад формирователя импульсов необходимой формы и амплитуды.

Длительность импульсов НВД порядка 0,05 – 0,07 мкс обеспечивает хорошую их наблюдаемость на малых шкалах. В качестве выходных каскадов широко используются ждущие блокинг-генераторы.

Могут применяться и другие способы создания импульсов НВД. Например, в РЛС «Океан» метки НВД формируются из частот триггерного делителя путем дальнейшего специального формирования.

Схема формирования меток НВД на микросхемах РЛС «Наяда-5» приведена на рис. 9.13.

Тактовые импульсы частотой f=8,0906 МГц поступают на каскады формирователя сигналов ФСМД, формирующего импульсы заданной длительности и амплитуды этой же частоты. В делителе частот ДЧ частота следования уменьшится в 25 раз, что соответствует DD=0,25 мили. В последующих шести делителях на 2 формируется импульсы с заданными частотами следования. В зависимости от включенной шкалы дальности ШД коммутатор пропускает через свои каскады соответствующую частоту импульсов. Через схему сборки, объединяющую различные выходы коммутатора в один канал, импульсы поступают в формирователь импульсов меток дальности ФИМД. Длительность импульсов НВД на его выходе зависит от включенной шкалы дальности.

Методы создания подвижного визира дальности отличаются способом получения переменной временной задержки импульса относительно начала развертки. Показания отсчетных устройств градуируются в милях и кабельтовых, так как при совмещении импульса ПВД с целью временная задержка пропорциональна дальности

или ,

где t_З – время переменной задержки;

с – скорость распространения электромагнитной энергии;

D – измеряемое расстояние до цели.

При вращении развертки импульс ПВД наблюдается в виде кольца, радиус которого изменяется в зависимости от временной задержки. На практике при создании ПВД получили распространение следующие методы создания переменной задержки: фазометрический, метод сравнения напряжений или компараторный, комбинированный, цифровой и др.

В фазометрическом методе используется изменение фаз напряжений, формирующих импульс ПВД. Основное достоинство этого метода – возможность получения переменной задержки с высокой точностью:

; ,

где s – относительная погрешность измерения времени задержки;

Dt_З – абсолютная погрешность измерения времени задержки;

t_зmax – максимальное время, на которое задерживается импульс.

Блок формирования импульсов ПВД состоит из фазовращателя, селекторного каскада, усилителя-ограничителя и выходного каскада.

В качестве фазовращателей может использоваться вращающийся трансформатор ВТ, включенный по специальной схеме, как показано на рис 9.14. Обмотка 2 статора закорочена для компенсации поперечной составляющей вторичного поля, которая нарушает синусную или косинусную зависимость выходного напряжения от угла поворота. Обмотка 1 питается переменным напряжением. При вращении роторных обмоток 3 и 4 фазовращателей, связанных с механическим счетчиком расстояния, фазы напряжений на их выходе изменяются, что обусловливает перемещение импульса ПВД от нуля (начало развертки) в пределах периода Т низкочастотного фазовращателя. Следовательно, частота питающего напряжения низкочастотного фазовращателя связана с максимальным измеряемым расстоянием соотношением

.

Фазометрический метод формирования ПВД применяется в РЛС «Дон».

Принцип формирования ПВД методом сравнения напряжений рассмотрим при помощи функциональной схемы (рис. 9.15). Временные диаграммы представлены на рис. 9.16.

Импульс синхронизации ИС запускает расширитель импульсов РИ, собранный по схеме триггера. Триггер управляет работой генератора пилообразного напряжения ГПН, выполненного по схеме с зарядной емкостью.

Длительность импульсов U_о.и. определяет предел изменения задержки в данном устройстве (см. рис.9.16).

С выхода ГПН линейно изменяющееся напряжение поступает на сравнивающее устройство – компаратор. На другой вход компаратора подается постоянное опорное напряжение U_o , снимаемое с линейного потенциометра дальности. Значение этого напряжения устанавливается маховичком «Дальность».

Компаратор сравнивает значения пилообразного и опорного напряжения и в момент равенства U_Г.П.Н = U₀ выдает на своем выходе импульс, который запускает выходной блокинг-генератор, формирующий импульс ПВД. Кроме того, импульс компаратора подается на триггер, возвращая его в исходное положение, тем самым, подготавливая схему для приема следующего импульса запуска. Время задержки визира дальности относительно начала развертки t_3,1, t_3,2 будет зависеть от опорного напряжения линейного потенциометра (U₀₁, U₀₂).

Проградуировав угол поворота потенциометра в милях, можно непосредственно получать измеряемое расстояние до объекта. В качестве выходного каскада формирования задержанного импульса могут применяться блокинг-генераторы или усилители-обострители.

Примером совместного использования двух методов (комбинированный метод) служит канал формирования ПВД в РЛС «Океан-М».

Функциональная схема создания ПВД цифровым методом состоит из трех частей: измерителя временного интервала; схемы индикации расстояния на цифровом табло и схемы создания коротких видеоимпульсов ПВД для их наблюдения на экране ЭЛТ при совмещении с отметкой эхо-сигнала.

Упрощенная структурная схема создания ПВД цифровым методом и временные диаграммы приведены на рис. 9.17.

Импульсы синхронизации U₁ запускают формирователь импульсов переменной длительности ФИПД и схему формирователя управляющих сигналов ФУС. Длительность импульсов U₃ на выходе ФИПД зависит от положения ручки «Дальность». Блок ФУС вырабатывает напряжение U₂, запускающее формирователь тактовых импульсов ФТИ, выходные импульсы U₄ которого через разрешающие каскады ФУС подаются на счетчик дальности СД. Напряжение U₃ подается на схему формирователя импульсов подвижного визира дальности ФПВД, формирующего импульсы напряжения U₅. Последние подаются на вход ЭЛТ, а также в блок ФУС. В момент их прихода, что соответствует измеряемой дальности, вырабатывается напряжение U₆, запрещающее пропуск тактовых импульсов в счетчик дальности. Следовательно, в канале СД записано количество импульсов U₇, пропорциональное временному положению импульса подвижного визира дальности, совмещенного на экране ЭЛТ с сигналом от объекта.

С выхода дешифратора счетчика дальности снимаются сигналы высвечивания знаков индикаторов цифрового табло, индуцирующих расстояние до цели в милях. В блоке ФУС вырабатываются также сигналы изменения цены знаков цифрового табло, сигналы сброса декадных знаков и др. в зависимости от включенной шкалы дальности.

Цифровой метод создания ПВД применяется в РЛС «Наяда-5» и др.

9.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВИЗИРЫ НАПРАВЛЕНИЯ

Курсовой угол или пеленг цели в судовых навигационных РЛС определяется с помощью механических и электронных визиров направлений. Механический визир направления представляет собой метку или нить на вращающемся диске, механически связанном с ручкой «Пеленг». Направление отсчитывается при совпадении механического визира с выбранным объектом по оцифровке дополнительного вращающегося азимутального круга, ориентированного по диаметральной плоскости судна или меридиану. При этом центр вращения механического визира должен совпадать с центром экрана на ЭЛТ и началом радиально-круговой развертки. При совмещении начала развертки или в случае режима истинного движения, когда начало развертки перемещается в направлении и со скоростью перемещения судна, использовать механический визир для отсчета азимута можно по параллельным дополнительным линиям на вращающемся диске.

Электронный визир направления (ЭВН) применяется для более точного определения курсового угла или пеленга объекта. Он представляет собой яркий радиус, начало которого совпадает с центром развертки. Его поворот в азимутальной плоскости на 360° обеспечивается с помощью ручки «Пеленг». Для повышения точности совмещения наблюдаемого объекта и ЭВН время наблюдения его на экране должно быть непрерывно. Это вызывает необходимость создания дополнительной развертки визира.

В зависимости от способа разделения магнитных полей основной развертки и развертки визира существуют 2 основных метода построения схем создания ЭВН.

При первом способе за один период следования импульсов ЗИ создается сначала магнитное поле основной развертки и затем магнитное поле развертки ЭВН.

Это возможно при выполнении неравенства

Т_пр.х.р + t_обр.х.р + Т_пр.х.в + t_обр.х.в > Т_и ,

где: Т_пр.х.р , Т_пр.х.в – время прямого хода развертки и визира соответственно;

t_обр.х.р , t_обр.х.в – время обратного хода развертки и визира соответственно;

Т_и – период следования зондирующих импульсов, т.е. за время одного периода

создается основная развертка и развертка визира.

При втором методе разделения полей поочередно k периодов следования импульсов используется для создания основной развертки и затем создается развертка визира, т.е. чередование магнитных полей межпериодное.

На экране ЭЛТ одновременно наблюдается информация, созданная основной разверткой и ЭВН, так как частота повторения зондирующих импульсов F_и намного больше критической.

На рис. 9.18 представлена структурная схема формирования основной развертки дальности и ЭВН при неподвижной отклоняющей системе первым способом. Промодулированные по закону вращения антенны пропорционально синусу и косинусу угла ее поворота напряжения U₁ и U₂ выпрямляются фазочувствительными выпрямителями ФЧВ1 и ФЧВ2. Огибающие выходного напряжения U'₁ и U'₂ через открытые ключи реле К₁ в момент прямого хода развертки прикладываются к отклоняющим катушкам, создавая радиально-круговую развертку. Развертка визира создается следующим образом.

В статорных обмотках СКВТ индуктируются переменные напря- жения, амплитуды и фазы которых зависят от угла поворота роторных обмоток относительно статорных, т.е. от положения ручки «Пеленг». На рис. 9.19,в,г представлены напряжения U₃ на входе и U¢₃ на выходе ФЧВ3 канала визира горизонтально отклоняющей катушки.

Выпрямленное напряжение, имею-щее определенное значение для каждого пеленга, прикладывается к ключам раз-вертки визира, которые открываются импульсами подсвета U₅ (рис. 9.19,е).

Импульсы подсвета визира смеще-ны во времени относительно импульсов подсвета основной развертки. Это по-зволяет для создания основной и визир-ной развертки использовать одну пару катушек, так как выходные напряжения ФЧВ каналов основной развертки и визира также смещены во времени (рис. 9.19,ж).

Видимое угловое положение элек-тронного визира на экране ЭЛТ будет определяться напряжениями в каналах синуса и косинуса визира, т.е. угловым положением ручки «Пеленг».

После размыкания ключей разверт-ки и визира (окончание действия соот-ветствующих импульсов подсветки) в конце прямого хода разверток на откло-няющих катушках возникает большое напряжение, которое гасится подклю-чаемой на это время разрядной цепи. Последняя – общий элемент вертикаль-ного и горизонтального канала основной и визирной разверток и подключается к ним через специальные ключевые мосты.

При автоматическом сопровождении цели замыкаются контакты 2 и 4 реле К1 (см. рис. 9.18) и вместо СКВТ2 и ФЧВ визира подключается СКВТ3. Ротор СКВТ3 поворачивается двигателем, скорость и направление вращения которого зависят от ошибки рассогласования DП положения визира и цели в данный момент. Последняя вырабатывается в специальном канале ошибки по пеленгу.

Рассмотрим метод формирования визиров направления, когда после k ходов основной развертки следует развертка визира. На рис. 9.20 представлена упрощенная схема визира направления с цифровым отсчетом, которая реализована в ИКО «Обзор», РЛС «Наяда-5» и «Енисей-Р».

Тракт развертки визира можно разделить на канал создания основной развертки визира и цифровой канал считывания значений визира направления.

Импульсы синхронизации U₁ (рис. 9.21, а также см. рис. 9.20) запускают синхронный коммутатор СК, который формирует импульсы U₂ для запуска каскадов генератора развертки ГР, импульсы U₃, U₄ для запуска каскадов коммутатора развертки и визира КРВ, а также импульсы подсвета прямого хода развертки U₅ и визира U₆ . Причем после 15 импульсов U₃ запуска коммутатора основной развертки следует импульс U₄ запуска развертки визира.

После запуска каскадов генератора развертки начинается формирование линейно нарастающего напряжения, скорость нарастания которого определяется выбранной шкалой дальности. Это напряжение поступает на компаратор блока СК, и в момент достижения заданного уровня последний срабатывает, обрывая импульс запуска каскадов ГР, что формирует задний фронт импульсов тока I₁ трапецеидальной формы.

Импульсы тока I₁ с выхода ГР поступают одновременно на роторные обмотки двух импульсных вращающихся трансформаторов: расщепителя фазы тока развертки в блоке координатора развертки КР, который вращается синхронно и синфазно с вращением антенны, и фазорасщепителя пилообразного тока электронного визира направления, входящего в блок датчика угла ДУ.

Блоком КРВ осуществляется последовательное подключение через соответствующие ключи роторов вращающихся трансформаторов основной и визирной разверток согласно очередности следования импульсов U₃ и U₄. Поэтому в статорных обмотках основной развертки наводится 15 импульсов тока, а 16-й наводится в статорных обмотках ВТ электронного визира направления.

Импульсы тока статорных обмоток, промодулированные вращением антенны по законам синуса и косинуса поступают на вход усилителя постоянного тока УПТ. На соответствующие входы УПТ поступают также импульсы статорных обмоток фазорасщепителя датчика угла.

На рис. 9.21 представлены импульсы I₁, I₂ в измененном временном масштабе, так как период следования импульсов несоизмерим с временем полного оборота антенны.

Окончательное усиление по току происходит в мощных выходных двухтактных каскадах ВК, нагруженных на взаимно перпендикулярные обмотки отклоняющей системы ОС (см. рис. 9.20). Таким образом, через ОС после 15 импульсов пилообразного тока основной развертки, создающих радиально-круговую развертку, проходит импульс тока I₃ развертки визира, создающий светящуюся линию развертки визира направления.

Цифровая индикация положения визира направления осуществляется следующим образом. В узле датчика угла ДУ расположен фотоэлектрический преобразователь углового положения вала ВТ в четырехразрядный десятичный код. Однозначность считывания угловой информации обеспечивается логическим устройством считывания сигналов с фотодиодов.

Дешифраторы ФСДш1 и ФСДш2 предназначены для формирования сигнала считывания и дешифрации десятичного кода датчика угла в код индикации семисегментных цифровых индикаторов. Сигналы считывания (тактовые импульсы) формируются для однозначного считывания цифровой информации в последующем старшем разряде по данным, получаемым от датчика угла.

Работа блоков основана на принципе усиления и преобразования фототока в напряжение. Выборки полученных напряжений посредством коммутации и последующей дешифрации преобразуется в код, необходимый для индикации семисегментного цифрового табло ЦТ4.

Цифровое табло собрано на четырех семисегментных цифросинтезирующих полупроводниковых индикаторах, каждый из которых подключен к соответствующему дешифратору. Цифровой метод снятия информации обеспечивает точность отсчета угла подобным устройством порядка 0,1 – 0,3°.