Судовые радиолокационные системы и их ключевые компоненты

Безопасность судоходства в сложных метеоусловиях и при ограниченной видимости во многом зависит от надежности и эффективности радиолокационных систем. Именно поэтому понимание принципов работы НРЛС является неотъемлемой частью подготовки специалистов в области судовождения и радиоэлектроники. В данной статье мы опишем состав РЛС и функционирование основных компонентов судовых радиолокаторов.

Радиолокационная станция (РЛС) – это сложный электронный комплекс, состоящий из множества взаимосвязанных устройств. Понимание состава РЛС и функций каждого компонента является ключевым для эффективной эксплуатации и обслуживания этих систем.

Радиолокационные импульсные передатчики

Передатчик импульсной РЛС (рис. 1) содержит следующие основные элементы:

• генератор сверхвысокой частоты (ГСВЧ);
• модулятор;
• источник питания (выпрямитель).

Генератор вырабатывает мощные кратковременные импульсы колебаний сверхвысокой частоты. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн генераторами СВЧ являются магнетроны.

Управление колебаниями генератора осуществляется модуляторным устройством, которое состоит из импульсного модулятора и подмодулятора.

Особенности магнетронных генераторов

Магнетрон представляет собой электровакуумный двухэлектродный прибор с электромагнитным управлением.

В передатчиках судовых радиолокационных станций применяют многорезонаторные магнетроны. Разрез такого типа магнетрона показан на рис. 2. Основой конструкции магнетрона является анодный блок 2, представляющий собой массивный медный цилиндр, в котором выточено по окружности четное число цилиндрических резонаторов 5.

Резонаторы сообщаются с внутренней полостью магнетрона, называемой пространством взаимодействия, с помощью прямоугольных пазов 6. Связь магнетрона с внешней нагрузкой осуществляется посредством проволочной медной петли 8. Эта петля одним концом припаяна к стенке одного из резонаторов, а другим присоединена к внутреннему проводу 9 короткой коаксиальной линии, проходящему через стеклянный спай 4 в волновод.

В центре анодного блока расположен цилиндрический оксидный подогревный катод 1. Этот катод имеет значительный диаметр для получения достаточного эмиссионного тока.

С обеих сторон катода расположены так называемые охранные диски, улучшающие структуру поля у краев анодного блока и препятствующие утечке электронов из пространства взаимодействия в торцовые области магнетрона. Катод укреплен внутри магнетрона с помощью держателей 7, которые служат одновременно выводами тока.

Держатели проходят через стеклянные спаи в цилиндрических трубках, укрепленных на фланце. Имеющееся на держателе утолщение выполняет роль высокочастотного дросселя препятствующего выходу высокочастотной энергии через выводы накала.

Читайте также: Судовые навигационные эхолоты

С торцовой стороны анодного блока имеются связки – проводники 3, соединяющие сегменты анодного блока. Для охлаждения магнетрона на его наружной поверхности имеются ребра, обдуваемые вентилятором. Исходя из условий удобства охлаждения, безопасности обслуживания и облегчения отвода высокочастотной энергии, анодный блок заземляется, а к катоду прикладываются импульсы высокого напряжения отрицательной полярности. Магнитное поле магнетрона создается обычно постоянными магнитами, не показанными на рис. 2. Эти магниты, изготовленные из специальных сплавов, создают сильное магнитное поле.

На практике широко применяются пакетированные магнетроны (см. рис. 3), у которых магнитная система 4 является составной частью конструкции самого магнетрона. У пакетированных магнетронов полюсные наконечники входят с торцов внутрь магнетрона. Этим уменьшается воздушный зазор между полюсами, а, следовательно, и сопротивление магнитопровода, что позволяет сократить размеры и массу магнитной системы магнетрона.

В качестве примера, на рис. 4 приведена одна из схем подачи питания на магнетрон VL.

В состав схемы входят:

• магнетрон VL;
• магнитная система;
• трансформатор накала T;
• и система охлаждения анодного блока магнетрона.

Схема магнетронного генератора содержит три цепи:

1. сверхвысокочастотную,
2. анодную,
3. и накальную.

Токи СВЧ циркулируют в резонаторной системе магнетрона и в связанной с ней внешней нагрузке.

Импульсный анодный ток проходит от положительного зажима модулятора, через анод-катод магнетрона, на отрицательный зажим модулятора.

Величина этого тока определяется по формуле:

где:

• I_ср – среднее значение анодного тока, A;
• τ_и – длительность импульсов, с;
• F_и – частота следования импульсов, имп/с;
• α – коэффициент формы импульсов (для прямоугольных импульсов равен единице).

Ток накала протекает по цепи, состоящей из вторичной обмотки трансформатора Т и нити подогрева катода. Обычно напряжение накала магнетрона равно 6,3 В, но ввиду того, что катод работает в режиме усиленной электронной бомбардировки, такое значение напряжения питания катода требуется только для разогрева катода перед подачей высокого напряжения на анод. После подачи анодного напряжения напряжение накала обычно уменьшают автоматически с помощью резистора R до 4 В.

В схеме на рис. 4, модулирующий импульс напряжения с выхода модулятора подается на катод магнетрона. Вторичная обмотка трансформатора накала по отношению к корпусу генератора находится под высоким напряжением.

Чтобы не исказить заметно форму модулирующих импульсов, емкость вторичной обмотки трансформатора накала должна быть возможно меньше.

Важным показателем качества работы магнетронного генератора является стабильность частоты генерируемых колебаний.

Основными причинами, вызывающими отклонение частоты магнетрона, являются непостоянство и несогласованность нагрузки, непостоянство электрического режима, например: изменения анодного напряжения или анодного тока, колебания температуры анодного блока.

Различают следующие два вида изменения частоты:

1. медленное колебание частоты, когда в течение промежутка времени, равного длительности отдельного импульса, частота практически остается постоянной;
2. быстрое изменение частоты, при которой нельзя пренебречь уходом частоты даже во время генерации каждого отдельного короткого импульса.

Медленное изменение частоты происходит при вращении антенны, при плавном изменении напряжения источников питания, при изменении окружающей температуры. Такого вида нестабильность частоты не искажает спектр генерируемого импульса, а несколько сдвигает его. Влияние на работу станции такого ухода частоты можно уменьшить применением в приемнике автоматической подстройки частоты.

При быстром изменении частоты наблюдается искажение формы частотного спектра импульса и расширение полосы частот.

Это может привести к снижению дальности действия радиолокационной станции, так как значительная доля энергии импульса может оказаться вне полосы пропускания приемного устройства.

Стабильность частоты магнетрона может быть повышена, если длина волноводной линии, соединяющей магнетрон с антенной, не будет превышать некоторую критическую величину, определяемую по формуле:

где:

• λ – длина волны РЛС;
• λ_в – длина волны в волноводе;
• К_бв – коэффициент бегущей волны волноводной линии;
• с – скорость распространения радиоволн;
• F_c – коэффициент затягивания частоты магнетрона, Гц/°.

Поскольку на практике длина волноводной линии по условиям установки передатчика и антенны может превышать критическую, в волноводный тракт РЛС вводят специальное устройство, называемое фазорегулятором.

Фазорегулятор представляет собой отрезок прямоугольного волновода с меняющимися размерами поперечного сечения. При изменении размеров поперечного сечения меняется фазовая скорость электромагнитных волн и, следовательно, электрическая длина волноводной линии.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором

Упрощенная схема импульсного модулятора с накопительным конденсатором показана на рис. 5. Такого типа модулятор использовался в НРЛС “Дон”.

Принцип работы импульсного модулятора с накопительным конденсатором заключается в следующем.

Накопительный конденсатор С_н, при подаче на управляющую сетку тетрода VL1 большого отрицательного напряжения (порядка – 800 В), заряжается по цепи +Еа→Сн→L→R1→R2 до напряжения +(14+16) кВ. (Этому значению соответствует +Еа). Одновременно подмодулятор формирует импульсы положительной полярности, близкие к прямоугольной форме, длительностью τ_зи.

При их поступлении на управляющую сетку VL1 (при этом положительная амплитуда τ_зи должна быть больше отрицательного напряжения на управляющей сетке), радиолампа открывается, и накопительный конденсатор С_н разряжается на магнетрон по цепи: VL1→Сн→VL2→корпус. На зажимах магнетрона (VL2) «анод-катод» создается отрицательный модулирующий импульс высокого напряжения, под воздействием которого магнетрон генерирует СВЧ колебания.

Для измерения тока магнетрона последовательно с индуктивностью L и резистором R1 включен миллиамперметр, шунтированный резистором R2 и конденсатором С2.

Импульсные модуляторы с накопительной линией

Другим типом импульсного модулятора, применяемого в НРЛС, является модулятор с накопительной линией.

Накопительная линия выполняет в таком модуляторе следующее:

• служит накопителем энергии;
• является цепью, формирующей прямоугольные импульсы требуемой длительности.

В качестве накопительной линии (длинной линии) применяются:

• отрезки разомкнутого на конце коаксиального кабеля с емкостными свойствами;
• искусственные длинные линии цепочечного типа;
• искусственные длинные линии из последовательно соединенных параллельных контуров.

В модуляторах с накопительной линией коммутирующие приборы работают только на замыкание, поэтому в модуляторах данного типа применяются газоразрядные приборы или полупроводниковые приборы (тиристоры).

Из приборов газоразрядного типа наибольшее распространение получили водородные тиратроны, обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими типами газонаполненных приборов.

К ним относятся:

• малое время ионизации и деионизации;
• возможность коммутации коротких импульсов;
• положительная пусковая характеристика, то есть для запирания тиратрона не требуется подачи на сетку отрицательного напряжения;
• водородный тиратрон способен работать при различной окружающей температуре и в момент зажигания имеет наибольшее падение напряжения, поэтому мощность, рассеиваемая на аноде тиратрона, невелика.

К недостаткам тиратрона относятся:

• малое обратное напряжение, что приводит к необходимости применять импульсные трансформаторы для повышения напряжения, подаваемого на магнетрон;
• ограничение в выборе более высокой частоты следования импульсов из-за инерционности (времени деионизации) тиратрона.

Схемы модуляторов с накопительной линией разделяются по виду источника питания (с зарядом накопителя от источника постоянного тока и с зарядом от источника переменного тока) и по схеме накопления энергии.

Модуляторы с накопительной линией с зарядом от источника переменного тока применяются в тех случаях, когда необходимо, чтобы частота следования (F_зи) импульсов НРЛС соответствовала частоте источника питания переменного напряжения и сами модуляторы выполняли роль синхронизатора НРЛС.

Однако на практике значительно большее распространение получили схемы модуляторов с питанием от источника постоянного напряжения.

Импульсный линейный модулятор

Упрощенная схема импульсного линейного модулятора приведена на рис. 6.

Импульсный линейный модулятор состоит из зарядного диода VD1, катушки зарядной индуктивности L1, накопительной линии L_nC_n, импульсного трансформатора ИТ тиристора VD2 и защитной цепочки VD3-R.

Принцип работы импульсного линейного модулятора заключается в следующем: в исходном состоянии тиристор VD2 заперт. В этом случае от высоковольтного источника питания +Еа, через диод VD1, зарядной индуктивности L1 происходит заряд накопительной линии (цепочки) L_nC_n до напряжения +Еа. При подаче положительного τси отпирается тиристор VD2. Протекающий через него ток разряда уменьшает сопротивление тиристора VD2 и происходит разряд накопительной линии L_nC_n через первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ.

Модулирующий импульс напряжения длительностью τ_зи, снимаемый со вторичной обмотки ИТ, подается на магнетрон. Длительность формируемого импульса зависит от параметров n – звеньев накопительной линии L_nC_n, то есть:

Импульсный магнитный модулятор

В этом модуляторе (схема на рис. 7) в качестве коммутирующего элемента используется катушка нелинейной индуктивности.

Такие модуляторы называются импульсными магнитными модуляторами. Импульсный магнитный модулятор состоит из катушки нелинейной индуктивности (дроссель) L1, накопительной емкости С1, нелинейного трансформатора Т1, накопительного конденсатора С2 и импульсного трансформатора Т2.

Эта схема является развитием линейного импульсного модулятора, только длительность и амплитуда управляющего импульса, воздействующего на магнетрон, формируется постепенно, а именно – последовательно. В этой схеме используется свойство нелинейной индуктивности. (Если сердечник индуктивности L1 насыщен, его магнитная проницаемость мала и тогда его индуктивное сопротивление минимально. И – наоборот, при ненасыщенном состоянии магнитная проницаемость имеет большую величину, индуктивность в этом случае увеличивается, то есть увеличивается индуктивное сопротивление).

Предлагается к прочтению: Радиостанции ПВ/КВ диапазона с ЦИВ и УБПЧ

Принцип работы заключается в следующем. В исходном состоянии тиристор VD2 заперт. В этом случае накопительный конденсатор С1 через нелинейный дроссель L1 заряжается до напряжения +Еа. Если открыть VD2, емкость С1 через насыщенный дроссель L1, открытый VD2 разряжается на первичную обмотку нелинейного трансформатора Т1. Индуктируемое во вторичной обмотке Т1 импульсное напряжение заряжает накопительный конденсатор С2. К концу его заряда сердечник трансформатора Т1 насыщается (то есть сопротивление вторичной обмотки Т1 становится минимальным) и конденсатор С2 начинает разряжаться на первичную обмотку импульсного трансформатора Т2. Во вторичной (повышающей) обмотке этого трансформатора возникает управляющий импульс τ_зи, воздействующий на катод магнетрона.

Длительность τ_зи определяется временем разряда С2 через первичную обмотку Т2 или

С2 включают в схему, если необходимо сформировать τ_зи ≤ 0,1 мкс. Если же τ_зи > 0,1 мкс, тогда вместо С2 в схеме используют формирующую линию. (Такие типы модуляторов применяются в НРЛС серии “Наяда”, “Миус”).

Антенно-волноводные устройства судовых НРЛС

Антенно-волноводные устройства (АВУ) судовых НРЛС предназначены для излучения мощных СВЧ колебаний, формируемых в передатчике, приема отраженных от целей СВЧ колебаний малой мощности и передачи этих колебаний в тракт приемника.

Обычно АВУ состоит из антенны и волноводного тракта.

Основные требования к антеннам:

• возможность кругового, равномерного обзора;
• высокая направленность действия и обеспечение необходимых параметров диаграммы направленности (ДН);
• минимальная интенсивность боковых лепестков;
• широкая полоса пропускания частот, удовлетворяющая излучаемым импульсам длительностью от 0,07 мкс до 1,0 мкс;
• достаточная механическая прочность и жесткость в сочетании с минимальной массой, размерами и парусностью.

Одним из важных параметров антенны, влияющий на эксплуатационные параметры НРЛС, является диаграмма
направленности антенны.

Одним из важных параметров антенны, влияющий на эксплуатационные параметры НРЛС, является диаграмма направленности антенны.

Диаграмма направленности антенны показывает зависимость плотности потока мощности (П) или амплитуды напряженности поля антенны (Е) от направления в пространстве при постоянном расстоянии до точек наблюдения.

Для сравнения направленных свойств антенны, характеристики направленности приравнивают к единице, то есть относят их к максимальным значениям напряженности поля или плотности потока мощности в направлении максимального излучения и записываются в виде:

или

где:

• E_max и F_max – максимальные значения соответствующих величин.

Наряду с формульной зависимостью ДН существует и более наглядный способ ее изображения – графический метод. Часто, в главных плоскостях (вертикальной и горизонтальной), нормированные ДН изображают в полярной (рис. 8, а) или прямоугольной системе координат (рис. 8, б).

Направление максимального излучения при α = 0° и θ = 0°. Линия пересечения диаграмм в вертикальной и горизонтальной плоскостях называется осью диаграммы направленности.

В судовых НРЛС наибольшее распространение получили рупорно-щелевые и линзовые антенны.

В более ранних моделях НРЛС использовались так называемые рупорно-параболические антенны (первые модели НРЛС “Донец”, “Океан”). На рис. 9 показано фото использовавшейся ранее двухдиапазонной рупорно-параболической антенны НРЛС “Океан-01”, в фокусе которой установлены два рупора – 3-х и 10-ти сантиметрового диапазонов.

В таких антеннах в качестве отражателя используется конструкция, представляющая собой усеченную параболу, в фокусе которой размещен выход волновода, заканчивающегося рупором.

Рупор на выходе волновода устанавливается из следующих соображений: если осуществлять излучение (то есть облучать параболическое зеркало) открытым концом волновода, эффективность излучения в этом случае будет небольшой, так как существует несогласованность волнового сопротивления волновода и свободного пространства. В этом случае часть энергии будет отражаться обратно в волновод. Поэтому, чтобы не было переотражений, то есть, чтобы было согласование волнового сопротивления волновода и свободного пространства, на выходе волновода устанавливается рупор.

Раскрыв рупора, как правило, герметизирован пенопластиковой крышкой, посаженной на эпоксидную смолу или другой радиопрозрачный клей.

• Достоинство рупорно-параболических антенн – их простота и хорошие технические данные.
• Недостаток – большая парусность, габариты и масса.

Щелевые и линзовые антенны

Если в любой стенке волновода определенным образом прорезать узкую щель на расстоянии друг от друга около λ/2, то она может излучать (принимать) СВЧ колебания.

По своим свойствам она аналогична полуволновому симметричному вибратору. Только в щелевом излучателе вектор магнитного поля

$\overrightarrow{H}$

ориентирован вдоль щели, а вектор электрического поля

– перпендикулярно щели. Антенна с такой щелью называется щелевой.

 
Однако антенна с одной щелью является маломощной и обладает слабой направленностью. Поэтому, для того, чтобы антенна могла излучать необходимую мощность и обладала хорошими техническими параметрами, в стенке волновода (обычно в узкой) создают N щелей, расположенных друг относительно друга под разным наклоном (угол 10°…15°).

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости такой антенны определяется уравнением α° = 101/N, где N – количество щелей.

На практике применяют так называемые рупорно-щелевые антенны.

Антенный блок осуществляет формирование СВЧ-энергии в виде радиолуча (диаграммы направленности) требуемой формы, направленное излучение энергии в пространство и ее направленный прием после отражения от облучаемых объектов.

Несущей частью конструкции блока является литой кронштейн, к которому крепится щелевая антенна. Щелевая антенна (рис. 10) представляет собой секториальный рупор 2, в вершине которого помещен волноводный излучатель бегущей волны 4 с решеткой фильтров 3.

Излучатель формирует диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости формируется рупором 2.

В качестве излучателя использован латунный волновод сечением 28,5 × 12,6 мм с прорезанными на узкой стенке наклонными щелями 7. В конце излучателя установлен поглощающий клин 5 из ферроэпоксида. В раскрыве щелевого излучателя расположен фильтр паразитной поляризации 3. Пластины фильтра, установленные между щелями, образуют предельные волноводы для подавления вертикальной составляющей поля, излучаемого наклонными щелями.

Рупор антенны герметизируется радиопрозрачным диэлектриком 6, изготовленным из стеклопластика с проволочной сеткой для компенсации отраженной от диэлектрика СВЧ-энергии.

Читайте также: Навигационное оборудование, используемое в малотоннажном судостроении

Максимум диаграммы направленности в горизонтальной плоскости отклоняется от нормали к раскрыву антенны приблизительно на 6° в сторону поглощающего клина.

Для регулировки в заводских условиях диаграммы направленности в горизонтальной плоскости имеются регулировочные винты 1, которые фиксируются гайками после регулировки. Во время эксплуатации НРЛС регулировка диаграммы направленности антенны не производится.

В моделях НРЛС (например, НРЛС “Печора-2”) используется линзово-щелевая антенна. Она состоит из слабо направленного облучателя 1 (см. рис. 11) и линзы 2 (плосковыпуклой “а” или плосковогнутой “б”).

Линза изготавливается из диэлектрического радиопрозрачного материала (полистирол, фторопласт). С помощью линзы электромагнитная волна облучателя преобразуется в плоскую волну, формирующую заданную диаграмму направленности.

Размер D определяет угол раскрыва диаграммы направленности в вертикальной плоскости: θ° = 51λ/D.

Толщина линзовой антенны d выбирается исходя из соотношения d = (0,15 ÷ 0,2)D.

Фокусное расстояние f, на котором располагается облучатель от плоскости линзы, f ≈ 0,5D.

На практике находят применение комбинированные линзово-щелевые антенны. В этом типе антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости формируется, как обычно, прорезанными в узкой стенке волновода щелями, а в вертикальной плоскости – с помощью линзовой диэлектрической антенны.

Антенны такого типа имеют меньшую массу и парусность при тех же размерах раскрыва в горизонтальной плоскости, что и у рупорно-щелевых антеннах.

На рис. 12 показаны фото общего вида рупорно-щелевой антенны “а” и щелевой антенны “б”, находящейся под радиопрозрачным материалом и, одновременно совмещенной с приемопередатчиком.

Угловая скорость вращения антенн Ω обычно составляет 16…24 об/мин, а на быстроходных судах от 30 до 48 об/мин.

Например, в НРЛС серий FAR21x7, FAR 28×7 (x = 1,2,3) фирмы Furuno имеется два стандарта угловой скорости: для Х – диапазона – 24 об/мин и 42 об/мин, а для S-диапазона – 24 об/мин и 45 об/мин; Simrad RA 41,42 – 24 об/мин и 42 об/мин; «Bridge Master» серии Е фирмы Decca – 28 об/мин и 45 об/мин.

Антенные переключатели

При использовании в РЛС одной общей антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов, обязательным является наличие антенного переключателя (АП).

Переключатель осуществляет коммутацию антенны с передачи на прием и обратно и защищает вход приемника от проникновения чрезмерно большой мощности сверхвысокой частоты. Источником этой мощности является собственный передатчик РЛС, а также могут быть соседние РЛС, работающие на одной и той же частоте. Влияние соседних РЛС может сказываться как при включенной, так и при полностью выключенной собственной РЛС.

К антенным переключателям предъявляются следующие требования:

• в момент передачи мощность, просачивающаяся на вход приемника, должна быть как можно меньше. На волнах сантиметрового диапазона, где применяются смесители на полупроводниковых диодах, величина попадающей на вход мощности не должна превышать 0,1 Вт. При большей мощности диод может выйти из строя;
• АП должен быть быстродействующим. Время срабатывания не должно превышать сотых долей микросекунды. В противном случае сильно увеличивается просачивающаяся на вход приемника мощность и возрастает минимальная дальность РЛС из-за увеличения времени восстановления чувствительности приемника;
• потери мощности при передаче и, особенно при приеме отраженных сигналов должны быть минимальными.

Применяемые в настоящее время в судовых РЛС антенные переключатели можно условно разделить на ферритовые (ФАП) и коммутационные или ответвительные (ОАП).

Схема антенного переключателя типа ФАП показана на рис. 13.

Ферритовые антенные переключатели основаны на использовании ферритов. Эти материалы обладают уникальными свойствами: они сочетают в себе свойства диэлектрика и ферромагнетика. За счет изменения намагниченности феррита можно регулировать прохождение электромагнитных волн в волноводе. Низкие потери на вихревые токи делают ферриты незаменимыми в высокочастотной технике.

Ферритовый антенный переключатель (рис. 13) состоит из двух симметричных щелевых мостов ЩМ-1 и ЩМ-2 и двухканальной волноводной секции с помещенными внутри каждого канала ферритами Ф-1, Ф-2, выполняющими роль ферритовых фазовращателей.

Ферритовый антенный переключатель работает за счет изменения фазы электромагнитных волн при прохождении через ферриты, намагниченные постоянным магнитом.

Принцип работы:

• Передача сигнала: Сигнал из передатчика разделяется на два канала, фазы которых сдвигаются на 90 градусов друг относительно друга при прохождении через ферриты и фазосдвигающую секцию. В результате сигнал поступает в антенну в фазе, а в поглотитель – в противофазе и компенсируется.
• Прием сигнала: Отраженный сигнал также разделяется на два канала. Благодаря сдвигу фаз, сигнал суммируется и поступает в приемник, а отражение в сторону передатчика компенсируется.

Преимущества:

• Низкие потери на высоких частотах.
• Возможность управления фазой сигнала.
• Компактность и надежность.

Фазовый ферритовый циркулятор – это разновидность ферритового антенного переключателя, который имеет несколько плеч и позволяет переключать сигнал между ними.

При работе под действием поля постоянного магнита электроны феррита закручиваются, как показано окружностью со стрелками.

Ферритовый вентиль пропускает СВЧ-сигнал только в одном направлении. Это происходит из-за взаимодействия вращающегося магнитного поля сигнала с электронами феррита. Когда направление вращения поля совпадает с направлением движения электронов, сигнал проходит без потерь. В противоположном случае сигнал поглощается. Таким образом, ферритовый вентиль обеспечивает одностороннюю проводимость СВЧ-сигнала.

Высокочастотные газовые разрядники

Высокочастотные газовые разрядники являются одними из важных составляющих антенных переключателей. Различают два вида высокочастотных газовых разрядника:

• разрядники защиты приемника (РЗП);
• и разрядники блокировки передатчика (РБП).

РЗП применяется потому, что при излучении мощных СВ колебаний щелевые мосты антенного переключателя пропускают на приемник не более 1/1 000 энергии зондирующего импульса. Однако этой энергии достаточно для повреждения кристаллических диодов смесителя приемника. При приеме же отраженных СВЧ импульсов РЗП должны пропускать сигналы малой мощности с незначительными вносимыми потерями.

Типичная конструкция РЗП приведена на рис. 14.

РЗП представляет собой герметичную волноводную секцию, состоящую из двух связанных четвертьволновых резонансных фильтров, каждый из которых включает емкостный элемент в виде усеченного конуса и индуктивный элемент в виде диафрагмы. Электроды конусной формы расположены друг относительно друга на расстояния λ/4.

Для уменьшения времени срабатывания (восстановления) РЗП заполняется смесью водорода и паров воды под небольшим давлением.

В зазорах между усеченными конусами формируется электрическое поле с большим значением напряженности, так как вторая пара электродов, расположенных ближе к выходу находится под напряжением около – 800 В. В период передачи мощного зондирующего импульса оно вызывает быструю ионизацию газа, вследствие чего полное сопротивление разрядника для передаваемого сигнала оказывается очень малым.

Под воздействием зондирующего импульса передатчика из-за быстрой ионизации замыкается пара поджигающих электродов (находящаяся под напряжением около – 800 В). Образовавшаяся отраженная волна от этой пары электродов создает высокое пробивное напряжение на входной паре электродов. Возникшая при разряде плазма, обладая высокой проводимостью, закорачивает вход РЗП и, таким образом, защищает вход приемника от проникновения мощных СВЧ импульсов передатчика.

Важными параметрами РЗП являются малые величины потерь в дуге и время восстановления.

Предлагается к прочтению: Электронавигационные приборы

Часть поступающей энергии передатчика, поглощаемая разрядником, называется потерями в дуге, а время, требуемое для деонизации разрядника после прекращения импульса – временем восстановления. (Время восстановления влияет на такой эксплуатационный параметр НРЛС, как минимальная дальность обнаружения целей). Как правило, проектирование РЗП с минимизацией потерь в дуге и малым временем восстановления не согласуется с требованием минимизации энергии в начальном выбросе и мощности плоской части просачивающегося импульса.

Кроме того, в приемниках с малым уровнем собственного шума необходимо (во избежание значительного увеличения коэффициента шума приемника), чтобы потери при приеме, обусловленные конструкцией разрядника и разрядом через поджигающий электрод, были очень малы.

Основным типом разрядника блокировки передатчика РБП является наполненная газом замкнутая четвертьволновая секция, входное окно которой герметизировано стеклянной пластиной, прозрачной для электромагнитных колебаний СВЧ. При подаче большой мощности СВЧ газ ионизируется, и полное входное сопротивление разрядника падает до малой величины. При приеме сигналов полное входное сопротивление РБП велико. Вследствие резонансных свойств полоса пропускания РБП меньше, чем РЗП с отражательными разрядниками. В то же время РБП дают возможность переключать более высокие мощности, чем РЗП. РБП и РЗП используются обычно совместно с направленными ответвителями, образуя компактные широкополосные балансные антенные переключатели.

На рис. 14 приведен пример использования РЗП в РЛС, который выполняет непосредственную защиту приемника. В некоторых типах НРЛС, наряду с РЗП для защиты входа приемника используется электромагнитная заслонка (ЭМЗ).

ЭМЗ представляет собой электромагнит, который опускает (вынимает) штырь в волноводной секции антенного переключателя.

Как правило, ЭМЗ конструктивно располагается в антенном переключателе впереди РЗП.

При включенной НРЛС, когда подается напряжение поджига на РЗП, штырь с помощью электромагнита вынимается из волноводной секции и СВЧ волна, через РЗП, поступает на вход приемника – в смесительную камеру.

Когда же НРЛС находится в нерабочем состоянии (отсутствует напряжение поджига на водную секцию, создавая при этом короткое замыкание в линии, ведущей к приемнику.

Вращающийся переход

Вращающийся переход предназначен для передачи (приема) СВЧ колебаний от неподвижной части волноводного тракта к подвижной антенной части (см. рис. 15).

Основой его являются два элемента: волноводно-коаксиальный переход 1 и бесконтактное дроссельное соединение коаксиальной части (вращающееся сочленение) 2. Коаксиальная часть перехода 3 присоединяется перпендикулярно к широкой стенке волноводной части на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца, так что энергия, отраженная от этого конца, складывается с энергией, распространяющейся в прямом направлении. Центральный проводник коаксиальной части заканчивается в волноводе зондом 4.

Размеры, конфигурация и место установки зонда в волноводе выбраны так, чтобы обеспечивалось наилучшее согласование структуры электромагнитных полей обеих частей перехода, что сопровождается минимальными потерями, отражениями и быстрым затуханием возбуждающихся на переходе волн высших порядков. (Согласование достигается с помощью плунжера 5).

На рис. 16, в качестве примера, показан вращающийся переход щелевой антенны диапазона 3,2 см НРЛС “Океан-01”.

В конструкции бесконтактного соединения внешних проводников коаксиальной части используется известное свойство полуволновых отрезков линий передач, заключающееся в том, что входное сопротивление отрезка, закороченного на конце, близко к нулю, а токи в середине отрезка практически отсутствуют.

Коаксиальные проточки в утолщенных стенках соприкасающихся внешних проводников представляют собой свернутый отрезок полуволновой линии, закороченной конце.

Зазор в месте поворота линии на 180° не мешает нормальному функционированию линии, так как токи в этом месте отсутствуют. С другой стороны, сопротивление зазора во внешнем проводнике коаксиальной части перехода равно нулю, поскольку зазор является входом замкнутой на конце полуволновой линии. Таким образом, разрыв внешнего проводника не препятствует прохождению тока по нему от неподвижной части к подвижной и в обратном направлении.

Электромагнитные колебания от генератора СВЧ-энергии, распространяющиеся в прямоугольном волноводе, возбуждают симметричный тип колебаний в отрезке коаксиального волновода 2.

Центральный проводник коаксиального отрезка является возбуждающим штырем (зондом) 3 в волноводе, питающем щелевую антенну. Так как ось штыря впадает с осью вращения, условия возбуждения при вращении антенны не изменяются. Шарообразный конец зонда 3 обеспечивает нормальную работу вращающегося перехода в рабочем диапазоне частот.

Для настройки вращающегося перехода служит плунжер 1, с помощью которого добиваются наилучшего согласования между неподвижной и вращающейся частями перехода, что соответствует максимальному коэффициенту передачи мощности.

Приемник НРЛС и принцип его работы

Радиоприемные устройства для радиолокационных станций используются для усиления и обработки радиосигналов, которые необходимы для работы индикатора (экрана, отображающего результаты).

Особенности:

Они должны работать с очень широким диапазоном частот из-за того, что радиолокационные сигналы очень короткие и многие элементы схемы могут быть нестабильными.

Основное усиление сигнала происходит в специальном усилителе, который называется усилителем промежуточной частоты.

Устройства должны иметь очень большой динамический диапазон. Это означает, что они могут обнаруживать очень слабые сигналы, но при этом не будут перегружаться при приеме очень сильных сигналов.

Важными характеристиками таких устройств являются:

• чувствительность (насколько слабый сигнал они могут обнаружить);
• коэффициент шума (насколько много шума добавляется устройством);
• избирательность (насколько хорошо устройство может отфильтровать нежелательные сигналы);
• полоса пропускания (какой диапазон частот устройство может усиливать);
• коэффициент усиления (во сколько раз устройство усиливает сигнал);
• и динамический диапазон.

Радиоприемные устройства для радиолокационных станций должны быть прочными, устойчивыми к влаге и перепадам температуры.

Упрощенная схема такого устройства с блоком автоматической подстройки частоты показана на рисунке 17.

При работе радиолокационной станции мощные радиоволны (СВЧ-импульсы) генерируются магнетроном и направляются антенной в пространство. Если на пути этих волн встречается объект, часть энергии отражается обратно в антенну. Чтобы защитить чувствительные элементы приемника от мощных передаваемых импульсов, используется антенный переключатель, который переключается с режима передачи на прием. Разрядник защиты приемника также защищает приемник и обеспечивает согласование между антенной и приемником.

В приемнике отраженные от объектов сигналы преобразуются в более низкую частоту (промежуточную частоту), усиливаются и детектируются. Полученные видеоимпульсы усиливаются и подаются на индикатор. Для улучшения качества сигнала в приемнике используются различные схемы, такие как временная регулировка усиления, укорочение видеоимпульсов и автоматическая подстройка частоты.

Преобразование частоты

В радиолокационном приемнике преобразование частоты происходит в смесителе с помощью специальных диодов. Для этого используются непрерывные колебания от гетеродина и отраженные импульсы от антенны. Смеситель, гетеродин и антенный переключатель обычно объединены в один блок.

В качестве гетеродина часто используют отражательный клистрон или полупроводниковый генератор. Клистрон представляет собой вакуумный прибор, частота которого зависит от размеров резонатора и напряжения на отражательном электроде. Механическая настройка резонатора позволяет изменять частоту в широких пределах, а изменение напряжения на отражателе – в более узких. Напряжение на отражателе может регулироваться вручную или автоматически системой автоматической подстройки частоты.

Полупроводниковые генераторы СВЧ

Полупроводниковый генератор СВЧ состоит из колебательного контура – объемного резонатора того или иного типа и активного элемента. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн в качестве активных элементов применяют лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды с объемным эффектом (ДОЭ).

Полупроводниковые генераторы СВЧ отличаются экономичностью питания, большим сроком службы, малыми габаритами и массой.

Работа ЛПД основана на физическом явлении, сущность явления которого состоит в том, что при лавинной ионизации в полупроводниках возникает плазма твердого тела – эффективный источник колебаний СВЧ сантиметровых и миллиметровых волн.

При наличии на зажимах диода постоянного напряжения обратной полярности ток через диод отсутствует. При повышении этого напряжения до пробивного в слое умножения возникает ударная ионизация и происходит процесс лавинного пробоя запорного слоя (р-n – перехода). Возникающие в контуре колебания создают на зажимах диода пульсирующее напряжение, состоящее из приложенного постоянного напряжения пробоя и переменного напряжения контура.

Переменное напряжение создает высокочастотное поле, тормозящее движение зарядов, которые отдают свою энергию в контур генератора, поддерживая в нем возникающие колебания СВЧ.

Конструктивно генератор на ЛПД (ГЛПД) представляет собой объемный резонатор с размещенным в нем диодом.

Достаточно широкое распространение в судовых навигационных РЛС получили генераторы с использованием диодов Ганна (ГДГ). Диод Ганна содержит тонкую пластинку из арсенида галлия размером 0,1 × 0,15 мм, на обе поверхности, которой нанесены невыпрямляющие металлические (омические) контакты. Электрод, на который подается положительное напряжение – анод, а отрицательное – катод.

Читайте также: Морские мониторы для навигационного и информационного оборудования

В диодах Ганна постоянный ток преобразуется в микроволновое излучение за счет образования и движения электрических доменов внутри полупроводника. При достижении определенного напряжения в узком слое полупроводника возникает сильное электрическое поле и образуется домен. Двигаясь от катода к аноду, домен вызывает резкие изменения тока, что и приводит к генерации микроволновых колебаний. Частота генерации зависит от размеров диода и резонатора и может регулироваться механически или электрически. Диоды Ганна используются в генераторах СВЧ с частотой от 1 до 40 ГГц и мощностью от сотен милливатт до десятков ватт.

Смесители на СВЧ диодах

В СВЧ-смесителях обычные электронные лампы не используются из-за большого времени пролета электронов и большой емкости, снижающей рабочую частоту. Вместо них применяют кремниевые диоды с миниатюрными электродами и малой емкостью. Нелинейная вольт-амперная характеристика диода позволяет смешивать два сигнала и получать сигнал на промежуточной частоте. Для оптимальной работы диода необходимо выбрать подходящую рабочую точку. Колебания промежуточной частоты выделяются с помощью резонансного контура. Диод размещается в волноводе так, чтобы максимизировать взаимодействие с электромагнитным полем.

В радиоприемнике диод устанавливается в специальном гнезде, обеспечивающем контакт с волноводом и коаксиальным кабелем. Сигналы от гетеродина и антенны подаются в волновод. Уровень сигнала гетеродина регулируется аттенюатором. Сигнал промежуточной частоты выделяется входным контуром УПЧ и передается на первый каскад усилителя.

Основным недостатком такой схемы является высокий уровень шумов, вызванных флуктуациями амплитуды сигнала гетеродина. Для уменьшения шумов используется балансная схема, в которой применяется двойной волноводный тройник и два диода. Это позволяет снизить влияние шумов и эхо-сигналов.

В балансной схеме преобразователя используются два диода, расположенных симметрично в двойном волноводном тройнике. Сигналы, поступающие на диоды, имеют сдвиг фазы на 180 градусов, что приводит к сложению полезных сигналов промежуточной частоты и вычитанию шумов гетеродина. Благодаря этому значительно снижается уровень шумов на выходе преобразователя, что улучшает качество приема сигнала. Такая схема широко применяется в судовых радиолокационных станциях.

Усилитель промежуточной частоты

В радиолокационном приемнике усиление сигнала промежуточной частоты осуществляется многокаскадным усилителем промежуточной частоты (УПЧ). УПЧ настроен на фиксированную частоту и имеет определенную полосу пропускания. Для обеспечения высокого коэффициента усиления и сохранения формы импульсов важно правильно выбрать промежуточную частоту и ширину полосы пропускания УПЧ.

Ширина полосы пропускания УПЧ зависит от длительности импульсов сигнала. Для коротких импульсов требуется более широкая полоса пропускания. Для достижения этого используются специальные схемы, позволяющие изменять параметры контуров УПЧ.

Выбор полосы пропускания приемника

Полоса пропускания приемника радиолокатора определяет точность измерения координат и дальность обнаружения целей. Широкая полоса пропускания уменьшает искажения формы импульсов, но увеличивает уровень шумов. Оптимальная полоса пропускания обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум. Для станций дальнего обнаружения используется полоса, близкая к оптимальной. Для станций, требующих высокой точности, полоса пропускания может быть значительно шире. Выбор оптимальной полосы пропускания зависит от конкретных требований к радиолокационной станции.

Детекторы и видеоусилители

Детектирование – преобразование колебания ПЧ в огибающую, соответствующую полезному сигналу, то есть процесс, обратный модуляции. В морских РЛС в передатчике используется амплитудная модуляция и, соответственно, в приемнике – амплитудный детектор. Амплитудное детектирование обеспечивает:

• получение огибающей модулированного колебания (видеоимпульса) из радиоимпульса ПЧ;
• отделение полезного видеосигнала от колебаний ПЧ.

Амплитудный детектор включает три основных элемента:

• нелинейный элемент (диод);
• сопротивление нагрузки;
• фильтр (емкость нагрузки).

При воздействии на нелинейный элемент радиоимпульса ПЧ на сопротивлении нагрузки выделяется положительный видеоимпульс с пульсациями, которые сглаживаются фильтром, находящимся между детектором и видеоусилителем. Получаемый видеоимпульс является основой получаемой в РЛС полезной информации.

Видеоусилители применяются в РЛС для усиления сигналов, поступающих с выхода детектора приемника, до уровня, обеспечивающего нормальную работу оконечных устройств РЛС, в частности электронно-лучевых индикаторов. Для того чтобы при воспроизведении сигналов терялось как можно меньше полезной информации, необходимо, чтобы в видеоусилителе обеспечивалось равномерное усиление во всей полосе частот, соответствующей видеоимпульсу.

Автоматическая подстройка частоты

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) в радиолокационных станциях обеспечивает стабильность работы приемника путем поддержания постоянной разности частот между передатчиком и гетеродином.

Небольшая часть мощности передатчика подается в отдельный канал АПЧ, где сравнивается с частотой гетеродина. При отклонении частоты образуется сигнал рассогласования, который усиливается и детектируется. Полученный сигнал управляет частотой гетеродина, возвращая ее в номинальное значение.

Ключевые элементы АПЧ:

• Смеситель АПЧ сравнивает частоты сигнала и гетеродина.
• Усилитель промежуточной частоты усиливает сигнал рассогласования.
• Частотный дискриминатор преобразует отклонение частоты в напряжение.
• Управляющее устройство изменяет частоту гетеродина в соответствии с сигналом рассогласования.

Типы схем АПЧ:

• Двухканальная схема имеет отдельный смеситель и УПЧ для канала АПЧ.
• Следящие схемы автоматически подстраивают частоту в широких пределах.
• Ищущие схемы используются для быстрого захвата частоты.

Благодаря АПЧ радиолокатор работает более надежно и точно, так как частоты его компонентов поддерживаются на заданном уровне. АПЧ позволяет получать более точные данные о расположении и характеристиках целей, что особенно важно для навигации и контроля воздушного пространства. За счет автоматической подстройки частоты радиолокатор может работать в более широком спектре частот, что повышает его гибкость и адаптивность к различным условиям.

Временная автоматическая регулировка усиления

ВАРУ (временная автоматическая регулировка усиления) – это ключевая технология в радиолокационных системах, позволяющая эффективно бороться с помехами, вызванными морским волнением и близкорасположенными объектами.

Сигналы от удаленных объектов слабее, чем от близких. ВАРУ автоматически увеличивает усиление приемника по мере удаления от антенны, обеспечивая равномерное отображение целей на экране. Это достигается путем формирования управляющего напряжения, которое плавно увеличивает усиление приемника во времени.

Преимущества ВАРУ:

• ВАРУ значительно снижает уровень помех от морских волн и других источников, улучшая качество изображения на экране.
• Благодаря автоматической регулировке усиления ВАРУ позволяет обнаруживать небольшие объекты на значительных расстояниях.
• Оператор может легко регулировать усиление приемника с помощью потенциометра.

ВАРУ является незаменимым инструментом для повышения эффективности радиолокационных систем, особенно в условиях сложных метеоусловий и при наличии большого количества помех.

Малая постоянная времени

Схема малой постоянной времени (МПВ) используется в радиолокационных системах для борьбы с помехами, вызванными осадками (дождем, снегом). Она представляет собой дифференцирующую цепочку, которая преобразует длительные сигналы от осадков в короткие импульсы, делая их менее заметными на экране индикатора.

МПВ преобразует длительные сигналы от осадков в короткие импульсы, что улучшает разрешающую способность системы и позволяет различить близко расположенные объекты. Короткие импульсы от осадков менее заметны на фоне более интенсивных сигналов от целей, что позволяет обнаружить цели в условиях сильных осадков.

Преимущества использования МПВ:

• МПВ позволяет получить более четкое изображение целей на фоне помех от осадков.
• МПВ позволяет различать близко расположенные объекты.

МПВ может снизить яркость изображения, особенно при сильном усилении, а также привести к разрывам в изображении береговой линии и других протяженных объектов.

Оператор может включать и выключать МПВ по мере необходимости, а также регулировать ее параметры для достижения оптимального качества изображения.

Логарифмический усилитель

Перегрузка радиолокационного приемника мощными сигналами или помехами, например, от дождя или волн, затрудняет обнаружение полезных сигналов. Помехи маскируют полезные сигналы, особенно если их амплитуда превышает или близка к амплитуде полезного сигнала.

Для расширения динамического диапазона приемника и предотвращения его насыщения применяют автоматическую регулировку усиления по логарифмическому закону. Суть метода заключается в сжатии амплитуды сильных сигналов и помех до уровня собственных шумов приемника.

Амплитудная характеристика такого приемника линейна для слабых сигналов и логарифмическая для сильных. Это позволяет выровнять амплитуды различных сигналов и снизить влияние помех.

Логарифмическая характеристика достигается путем последовательного соединения нескольких одинаковых каскадов усиления. Каждый каскад имеет ограничение по амплитуде. Сильные сигналы ограничиваются в первых каскадах, а слабые – в последних. Это приводит к тому, что прирост амплитуды выходного сигнала для сильных сигналов меньше, чем для слабых.

Для дальнейшего улучшения качества сигнала применяют дифференцирующую цепь с МПВ. Она позволяет устранить постоянную составляющую сигнала и еще сильнее подавить помехи.

Преимущества логарифмического УПЧ:

• Широкий динамический диапазон входных сигналов (до 100 дБ и более).
• Сжатие динамического диапазона выходных сигналов (до 3-4 дБ).
• Быстрая реакция на изменения уровня сигнала.
• Подавление помех.

Таким образом, логарифмические усилители позволяют эффективно бороться с помехами и улучшить качество работы радиолокационных систем.

Индикаторы кругового обзора НРЛС

Индикатор кругового обзора (ИКО) предназначен для:

1. Воспроизведения на ИКО радиолокационного изображения характеризующее надводную остановку на основе информации, получаемой от приемника НРЛС, лага и гирокомпаса.
2. Измерения координат надводных объектов.
3. Оперативного управления работой НРЛС и контроля ее работоспособности.

ИКО является оконечным звеном НРЛС. Информацию с ИКО «снимает» визуально оператор – штурман. Она же может поступать в специализированную вычислительную машину для определения параметров движения целей.

Информация ИКО может воздействовать на зрение или на слух оператора. Наибольшее распространение в НРЛС получили ИКО со зрительным съемом информации. По положению объектов и своего судна на ИКО можно судить о навигационной обстановке.

ИКО классифицируется по следующим признакам:

• по типу используемых воспроизводящих информацию устройств;
• по назначению НРЛС;
• по методу получения отметки цели;
• по типу применяемой развертки.

По типу используемых воспроизводящих устройств – электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с магнитным управлением электронного луча (CRT – Cathode Ray Tube), а в новых разработках НРЛС – жидкокристаллические (ЖК) дисплеи (LCD-мониторы – Liquid Crystal Display).

В зависимости от назначения индикатора ЭЛТ могут быть с различным послесвечением (от долей секунд до минут).

По назначению – в зависимости от типа НРЛС – обнаружения, обзора земной или водной поверхности, точного определения координат и т. п.

По типу применяемой развертки – ЭЛТ 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.

По числу определяемых координат – одно, двух и трехкоординатные (трехмерные) индикаторы.

По методу получения отметки цели – индикаторы с амплитудной или яркостной отметкой.

ЭЛТ работает следующим образом: электронный луч, испускаемый катодом, под действием электрических и магнитных полей отклоняется и попадает на люминесцентный экран, вызывая его свечение. Яркость свечения пропорциональна интенсивности сигнала. Для управления лучом используются различные напряжения: накала катода, ускоряющие напряжения, модулирующее напряжение и напряжения на катушках отклонения.

Катушки отклонения позволяют перемещать электронный луч по экрану, создавая радиолокационную развертку. Чаще всего используется радиально-круговая развертка, которая имитирует обзор вокруг судна. Для этого в катушки подаются специальные токи, создающие переменное магнитное поле.

Фокусировка луча необходима для получения четкого изображения на экране. Она осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого фокусирующей катушкой.

Предлагается к прочтению: Автосчислители и системы автоматической регистрации на судне

Модуляция луча позволяет изменять яркость свечения в зависимости от интенсивности принимаемого сигнала. Это позволяет отобразить на экране различные объекты с разной интенсивностью.

Защита ЭЛТ обеспечивается экраном, который защищает трубку от внешних воздействий и снижает уровень вредного излучения.

Дополнительные элементы индикатора включают в себя:

• служит для определения направления на объекты.
• используется для прокладки курса судна и других целей.

Преимущества радиально-круговой развертки:

• Наглядность и простота восприятия информации.
• Возможность сравнения радиолокационной картины с визуальной обстановкой.

Функциональная схема ИКО приведена на рис. 18.

Блок ЭЛТ, центральный компонент радара, визуализирует на экране всю информацию о судах и окружающей обстановке. Взаимодействуя с другими блоками, он создает и обрабатывает сигналы, необходимые для отображения данных. На экране можно увидеть расстояние до объектов, их курс и другие важные параметры для безопасной навигации. Электронный луч, управляемый специальными устройствами, быстро сканирует пространство вокруг судна и “рисует” на экране все обнаруженные объекты. Режим истинного движения создает эффект неподвижности судна, в то время как все остальные объекты движутся относительно него. Это значительно упрощает ориентацию на море. Специальный блок управления позволяет включать и выключать радар, настраивать изображение и контролировать его работу. Радар может отображать информацию либо относительно направления движения судна (по курсу), либо относительно сторон света (по северу).

Формирование развертки в ИКО

Отклонение электронного луча на экране радара происходит за счет подачи пилообразных импульсов тока в катушку отклонения. Амплитуда и длительность этих импульсов определяют скорость и дальность развертки луча. Для синхронной работы радара и антенны, отклонение луча должно происходить синхронно с вращением антенны. Это достигается с помощью специальных схем, которые обеспечивают согласованность между вращением антенны и движением электронного луча.

Тип ориентировки радара (по курсу или по северу) определяет способ связи между схемой развертки, антенной и гирокомпасом. При ориентировке по курсу связь осуществляется только с антенной, а при ориентировке по северу требуется дополнительная Основы эксплуатации гирокомпаса (обслуживание и ремонт)информация от гирокомпаса для корректного отображения данных.

Для создания развертки применяются неподвижные отклоняющие катушки. Вращающийся трансформатор, связанный с осью антенны, передает сигнал на эти катушки, обеспечивая необходимое вращение луча.

Формирование развертки с помощью двух неподвижных отклоняющих катушки

Для создания радиально-круговой развертки на экране радара используются две взаимно перпендикулярные катушки отклонения (X и Y). В эти катушки подаются пилообразные токи, амплитуда и фаза которых зависят от угла поворота антенны. Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое отклоняет электронный луч по кругу.

Существует два основных способа формирования таких токов:

• Расщепление фазы после генератора развертки: Сигнал с вращающегося трансформатора, связанного с антенной, усиливается и подается на катушки X и Y через фазовращатели.
• Расщепление фазы до генератора развертки: Сигнал с вращающегося трансформатора сначала разделяется на два сигнала с фазовым сдвигом 90 градусов, а затем формируются пилообразные импульсы.

В обоих случаях полученные пилообразные токи создают вращающееся магнитное поле, которое отклоняет электронный луч по кругу, обеспечивая необходимую развертку на экране радара.

Цифровая развертка НРЛС

В современных радарах для создания развертки на экране используется цифровая технология. Вместо непрерывного движения электронного луча, его перемещение осуществляется дискретными шагами. Размер этих шагов значительно меньше диаметра луча, что позволяет создать иллюзию непрерывного движения.

Цифровая развертка формируется следующим образом:

• Создаются цифровые сигналы, соответствующие синусу и косинусу угла поворота антенны.
• Цифровые сигналы преобразуются в аналоговые, которые управляют отклоняющими катушками.
• Катушки создают магнитное поле, которое отклоняет электронный луч по кругу.

Для отображения информации на экране современных радаров часто используются телевизионные кинескопы или ЖК-дисплеи. Радиально-круговая развертка, характерная для радаров, преобразуется в телевизионную развертку с помощью микропроцессоров.

В современных радарах применяется “композитный радиолокационный сигнал“, который объединяет в себе видеосигнал от радара, информацию о параметрах работы радара и другие данные.

Вспомогательные метки – НКД, ПКД

Для определения дальности до объекта в радиолокационной станции используются неподвижные и подвижные кольца дальности. Неподвижные кольца дают приблизительное значение расстояния, а подвижное кольцо позволяет точно измерить дальность до цели.

Неподвижные кольца представляют собой яркие точки, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Они создаются путем подачи коротких импульсов на модулятор или катод электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) синхронно с разверткой луча.

Подвижное кольцо является также яркой точкой, но ее положение можно изменять. Для точного измерения дальности подвижное кольцо совмещают с отметкой цели на экране.

Оба типа колец отображаются на линии развертки сигнала в виде коротких ярких точек. Подвижное кольцо может дополнительно отображаться на электронной линии развертки визира. Неподвижные кольца служат для ориентировочной оценки дальности, а подвижное кольцо используется для точных измерений.

Способы формирования НКД

Неподвижные кольца дальности (НКД) служат для быстрого определения приблизительного расстояния до целей на экране радара. Они представляют собой концентрические окружности, расположенные на равном расстоянии друг от друга. Расстояние между этими кольцами зависит от настроек радара и определяет шкалу измерения дальности.

Формирование НКД происходит следующим образом: специальный генератор создает серию коротких электронных импульсов. Эти импульсы подаются на (ЭЛТ), которая используется для отображения информации на экране радара. В результате на экране появляются яркие точки, которые при вращении луча образуют концентрические кольца.

Частота повторения этих импульсов напрямую связана с расстоянием между кольцами. Чем выше частота, тем чаще появляются точки на экране, и, соответственно, тем меньше расстояние между кольцами.

НКД играют важную роль в работе радара, позволяя оператору быстро оценить расстояние до целей и сориентироваться на экране. Однако для точного измерения дальности используется подвижное кольцо дальности, которое можно перемещать по экрану и совмещать с изображением цели.

Важно отметить, что различные модели радаров могут использовать разные методы формирования НКД и иметь различные настройки. Но общий принцип работы остается неизменным: НКД представляют собой набор концентрических окружностей, которые позволяют оператору быстро оценить расстояние до целей.

Способы формирования ПКД

Подвижное кольцо дальности (ПКД) – это метка на экране радара, которую можно перемещать для точного измерения расстояния до цели. Его положение определяется временной задержкой импульса, запускающего формирование этого кольца.

Принцип работы ПКД:

• Специальный генератор создает короткий импульс, задержка которого относительно начала развертки определяет расстояние до цели.
• Этот импульс подается на модулятор ЭЛТ, создавая яркую точку, которая при вращении луча образует кольцо.
• Изменяя задержку импульса, можно менять радиус кольца и совмещать его с отметкой цели на экране.

Существуют различные способы формирования ПКД:

• Фазометрический: Используется фазовращатель для создания импульса с необходимой задержкой.
• Компараторный: Сравниваются напряжения двух сигналов для определения момента формирования импульса.
• Комбинированный: Сочетает элементы фазометрического и компараторного методов.
• Цифровой: Используются цифровые методы для управления задержкой импульса.

Преимуществами ПКД можно назвать высокую точность измерения дальности и возможность измерения расстояний до различных целей.

ПКД формируется с помощью генератора пилообразного напряжения и компаратора. Пилообразное напряжение сравнивается с опорным напряжением, которое задает положение ПКД на экране. В момент равенства напряжений генерируется импульс, запускающий формирование ПКД.

Точность ПКД зависит от стабильности генератора и точности сравнения напряжений. Для калибровки ПКД его положение сравнивают с неподвижными кольцами дальности, которые считаются более стабильными.

Читайте также: Радиолокационные станции и средства автоматической радиолокационной прокладки

Цифровой метод формирования ПКД основан на использовании высокочастотного генератора и счетчика. Частота генератора определяет точность измерения дальности. Импульс ПКД формируется в момент, когда счетчик достигает заданного значения.

Отметка курса (ОК) формируется путем создания короткого импульса в момент, когда диаграмма направленности антенны совпадает с диаметральной плоскостью судна. Этот импульс создает яркую радиальную линию на экране радара, указывающую направление движения судна.