Принцип действия детектора АМС

Введение

 

Термин локация (и его всевозможные производные) произошел от латынского слова locatio – размещение, распределение и означает определение местоположения объекта по сигналам (звуковым, тепловым, оптическим, электромагнитным волнам и др.), излучаемым самим объектом (пассивная локация) иои отраженным от него сигналом, излучаемым самим устройством (активная локация).

Следует отметить, что свойствами локации (способностью определять положение количественного объекта по отношению к себе или свое положение в пространстве) обладают многие животные и человек – бинауральный эффект или т.н. биолокация.

В зависимости от применяемых методов и технических средств различают звуковую локацию (гидро, звуко, эхо), радиолокацию (электромагнитную) и, позднее появившиеся: оптическая (лазерная) локация, планетная (радиолокационная астрономия) и загоризонтная (ионосферная) радиолокации.

Первоначально, в годы 1‑й мировой войны появились гидролокаторы (приборы, которые могут обнаруживать самолет по звуку двигателей) – т.н. звукоулавливатели.

Над созданием звукоулавливателей, которые вошли в состав приборов управления артилллерийским зенитным огнем (ПУАЗО), в СССР работали: Центральная радиолаборатория (ЦРЛ), Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Военная артиллерийская академия (ВАУ) им. Ф.Э. Дзержинского и Научно-исследовательская лаборатория артиллерийского приборостроения Главного артиллерийского управления (НИЛАП ГАУ). Образцы первых звукоулавливателей испытывались на подмосковном полигоне в 1929–1930 годах. В 1931 г. были созданы опытные образцы системы «Прожзвук» (крупногабаритный звукоулавливатель и полутораметровй электрический прожектор).

Предпосылками работ по созданию и дальнейшему развитию радиолокации послужили несколько исторических фактов:

– явление отражения радиоволн наблюдал еще Г. Герц в 1886–1889 годах, а в 1897 г. А.С. Попов (во время опытов по радиосвязи на Балтийском море) зарегистрировал влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силу сигнала (передатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа», а приемник – на крейсере «Африка»);

– в 1904 г. немецкий ученый-изобретатель Кристиан Хюльсмэйер (Christian Hulsmeyer) [1881–1957] в своей авторской заявке (патент N165546 от 30 апреля 1904 г.) четко сформулировал идею обнаружения корабля по отраженным от него радиоволнам и содержащей также подробное описание устройства для ее реализации. Позднее, в том же 1904 г., им был получен и второй патент (N169154) на усовершенствование своего устройства для радиолокации.

– в 1914 г. росиянин И.И. Ренгартен проводил работы по макетированию радиопеленгатора;

– в 1916 г. французами П. Ланжевеном и К. Шиловским был создан ультразвуковой гидролокатор;

– в сентябре 1922 г. два экспериментатора, служившие в ВМФ США, – Хойт Э. Тейлор и Лео К. Янг проводили опыты по радиосвязи на декаметровых волнах (3–30 МГц) через реку Потомак. В это время по реке прошел корабль, и связь прервалась – что натолкнуло их на мысль о применении радиоволн (метод интерференции незатухающих колебаний) для обнаружения движущихся объектов;

– в 1921 г. америкаец А.У. Хэлл изобрел магнетрон (промышленный его вариант был готов к 1928 г.) – что дало возможность последующего развития радиолокационных станций (РЛС) на СВЧ.

– в 1924 г. английский ученый Э. Эплтон провел на декаметровых волнах измерения высоты слоя Кеннелли-Хевисайда (слой «Е» ионосферы, от которого отражаются радиосигналы);

– в 1925 г. английские ученые Г. Брейт и М. Тьюков опубликовали результаты работ по определению высоты слоя Кеннелли-Хевисайда измерением времени запаздывания импульсного сигнала, отраженного от слоя, относительно сигнала, пришедшего вдоль поверхности Земли;

– в июне 1930 г. моряк ВМФ США Лоренс Э. Хайленд, проводя эксперименты по определению направления с помощью декаметровых волн, обнаружил, что когда над передающей антенной пролетает самолет, поле радиосигнала сильно искажается, и в результате чего, Хайленд предложил использовать декаметровые волны для предупреждения о приближении вражеских самолетов;

– в январе 1931 г. Авиационная радиолаборатория ВМС в Вашингтоне приступила к выполнению проекта, имевшего целью «обнаружение вражеских судов и самолетов с помощью радио»;

– в начале 1931 г. проводились (к сожалению неудачные) опыты по установлению связи между городами – английским Дувром и французским Кале при помощи волн длиною 18 см;

– в 1932–1933 годах английское морское ведомство стало применять приборы АСДИК, регистрирующие ультразвуки высокой частоты, создаваемые шумом винтов подводных лодок;

– в 1932 г. большой объем работ по изучению интерференции при отражении радиоволн от самолета выполнили американские инженеры Б. Тревор и П. Картер;

– в 1934 г. сотрудник Морской исследовательской лаборатории США Роберт Пейдж первым зарегистрировал (сфотографировал) отраженный от самолета сигнал на частоте 60 МГц.

– в 1935 г., независимо друг от друга, работы по импульсной радиолокации проводили: П.К. Ощепков (СССР) и Р. Ватсон-Ватт (Великобритания. Изготовленная им аппаратура получила отраженный сигнал от самолета на расстоянии 15 км).

– в 1935 г. радиолокация получила первое коммерческое применение: во Франции фирма «Societe Francaise Radioelectrique» установила на лайнере «Нормандия» т.н. «Детектор препятствий», а в 1936 г. в порту Гавра был установлен т.н. «Радиопрожектор» для обнаружения судов, входящих в гавань и покидающих ее;

– в 1936 г. американцами – Р. Колвеллом и А. Френдом были зафиксированы отражения радиоимпульсов от турбулентных и инверсионных слоев в тропосфере.

В 1936 г. макет американской РЛС, работавшиц на частоте 80 МГц, обнаружил самолет на расстоянии 65 км (в 1937 г. у немцев была достигнута дальность 35 км).

2 июля 1936 г. в США была изготовлена первая небольшая РЛС, работавшая на частоте 200 МГц, которая в апреле следующего года была установлена на борту эсминца «Лири». РЛС получили название РАДАР (сокращенное обозначение от «Radio Detection And Ranging», т.е. «Прибор для радиопеленгации и измерения»). Hа базе данной РЛС в 1938 г. была разработана модель XAF, прошедшая широкие бортовые испытания в 1939 г. (прототип модели 1940 г. – CXAM, которая была установлена на 19 военных кораблях).

Первые пять импульсных РЛС (работали на метровых волнах) для обнаружения самолетов были установлены на юго-западном побережье Великобритании в 1936 г.

Первые работы по радиолокационному обнаружению самолетов в СССР были начаты в 1933 г. по инициативе М.М. Лобанова. С 1934 г. данные работы возглавили Ю.К. Коровин, П.К. Ощепков (Ленинградский электрофизический институт) и Б.К. Шембель. Первая серийная РЛС (РУС-1) появилась в 1938 г. в КБ, которым руководил Д.С. Стогов. РУС-1 были применены во время финской военной кампании 1939–1940 гг.

В 1937 г. в Лениградском ФТИ под руководством Ю.Б. Кобзарева был разработан импульсный метод радиолокации.

В 1940 г. было начато серийное производство первой импульсной радиолокационной станции дальнего обнаружения самолетов РУС-2 («Редут»), разработкой которой с 1935 г. занимались П.А. Погорелко и Н.Я. Чернецов. Во время ВОВ было развернуто производство портативных РЛС «Пегматит».

4 июля 1943 г. вышло Постановление Государственного Комитета Обороны (ГКО) об учреждении при нем Совета по радиолокации. Практическое

руководство повседневной деятельностью Совета осуществлял Аксель Иванович Берг (впоследствии – академик), а отвественным секретарем Совета был Александр Александрович Турчанин.

В 1943 г. по инициативе Совета по радиолокации был создан Институт локационной техники, который возглавил П.З. Стась. Главным инженером стал профессор А.М. Кугушев.

В июне 1947 г. Совет по радиолокации был преобразован в Комитет по радиолокации при СHК СССР и его председателем стал М.З. Сабуров.

Загоризонтная радиолокация базируется на открытии в 1947 г. советским ученым H.И. Кабановым явления дальнего рассеянного отражения от Земли декаметровых волн (с их возвратом после отражения от ионосферы к источнику излучения).

Hеоценимый вклад в создание и разработку советской радиолокационной техники также внесли: В.Д. Калмыков, А.И. Шокин (в течении ряда лет был министром электронной промышленности СССР), А.Н. Щукин и мн. др.

После окончания Второй мировой войны начался этап активной разработки планетной радиолокации и первыми ее объектами стали Луна и метеоры. Первые эхо-сигналы от солнечной короны были получены в 1959 г. (США), а от Венеры – в 1961 г. (Великобритания, СССР и США). В СССР радиолокацию Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера выполнил в 1961–1963 гг. коллектив ученых во главе с В.А. Котельниковым.

Большой вклад в развитие отечественной оптической локации внесли ученые: Н.Г. Басов, Ф.М. Прохоров, А.Л. Микаэлян и др.

 

 

Принцип действия детектора АМС

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов вида

 

u_c (t) = u_a(t) cos(ω_ct)

 

Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 1. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал u _c(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора С_н и резистора R_н, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание u_вых(t).

Значение тока через диод i_g для режима покоя (u_c(t)=0) может быть найдено из уравнений:

 

                                                                                                   (5)

 

где U_g – напряжение на диоде VD (рис. 1).

 

Первое уравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ, форма тока через диод i_g при синусоидальной форме сигнала u_c(t) не является синусоидальной.

В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору R_н, создает падение напряжения U₌, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам, открывающим диод при положительных значениях входного напряжения.

 

g

На рисунке 2 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству U_c⁽¹⁾ <U_c⁽²⁾.

Тогда постоянные составляющие напряжений U₌⁽¹⁾<U₌⁽²⁾ и I₌⁽¹⁾<I₌⁽²⁾.

На этом же рисунке условно изображена зависимость i_g=f(t).

Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

,                                                                                     (6)

 

где I_об – абсолютное значение величины обратного тока диода, φ _T – температурный потенциал, равный при Т=293˚ K примерно 26 мВ.

Зависимость постоянной составляющей U₌ от амплитуды приложенного напряжения U _c дается детекторной характеристикой (рис. 3).

Анализ выражения (6) позволяет сделать два основных вывода:

· с увеличением R_н возрастает крутизна детекторной характеристики,

· с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:

· детектирование «слабых» сигналов,

· детектирование «сильных» сигналов.

В режиме «слабых» сигналов, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.

 

,                                                    (10)

 

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен:

 

.            (11)

Например, допустимое значение k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н £ 5%), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i_g=f(u_g) (5). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U₌, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда .

На рис. 4 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора C _н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C _н разряжается через резистор R _н.

Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла q не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x(t).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

· нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤U_c≤U_c⁽¹⁾ на рис. 2, необходимо выбирать значение U _c  исходя из неравенства:

 

;    (16)

различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

При использовании усилителя с входным сопротивлением

R_УНЧ ³ (5 – 10) R_н

и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R_УНЧ из условия:

 

,                                                                       (17)

 

где Ω_min – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь;

· нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н.

При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U₌ и u _a(t). В моменты времени, когда u _a(t) < U₌, конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

 

,                                                                  (18)

 

где Ω_max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора C_н выбирается из условия:

,   (19)

 

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

k_ф = ω_cC_н r_g,                            (20)

 

где r_g – сопротивление диода в открытом состоянии.