Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модулированных колебаний

УДК 621.396.962.25
ББК 32.95
К63

Комаров И. В., Смольский С. М.

К63
Основы теории радиолокационных систем с непрерывным
излучением
частотно-модулированных
колебаний.
—
М.:
Горячая линия–Телеком, 2010. — 366 с.: ил.

ISBN 978-5-9912-0103-2.

Рассмотрены основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением и с частотной модуляцией колебаний (ЧМ РЛС), а также основы теории
задающих генераторов ЧМ РЛС и излучающих ЧМ автодинов. Такие системы
используются для самых разнообразных целей, но наиболее широкое применение они нашли в системах ближнего действия при расстояниях между взаимодействующими объектами от крайне небольших до нескольких километров.
Книга предназначена для научных работников и специалистов, знакомых с
принципами действия радиолокационных систем и желающих изучить основы
теории радиолокационных систем с непрерывным излучением и с частотной
модуляцией колебаний, а также для специалистов, занимающихся теорией автоколебательных систем, в частности автодинного типа. Издание будет полезно
аспирантам и студентам старших курсов при изучении указанных вопросов.
ББК 32.95

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU

Научное издание
Комаров Игорь Васильевич, Смольский Сергей Михайлович

Основы теории радиолокационных систем с непрерывным
излучением частотно-модулированных колебаний

Редактор Ю. Н. Чернышов
Художник В. Г. Ситников
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова

Подписано в печать 30.05.2009. Формат 60×90 1/16. Гарнитура Computer Modern.
Усл.-печ. л. 24,5. Тираж 1000 экз. (1-й завод 500 экз.). Изд. № 90103.

ISBN 978-5-9912-0103-2
c⃝ И. В. Комаров, С. М. Смольский, 2010
c⃝ Оформление издательства
«Горячая линия—Телеком», 2010

Предисловие

Настоящая книга издана в США издательством Artech House
Publishers [1] в 2003 году.
Главная причина этого хорошо знакома
и понятна научным работникам, которые в период перестройки в нашей стране столкнулись с невозможностью издавать тематические научные монографии в России.
Именно тогда подготовленный нами
материал, основанный на многолетнем научном опыте авторов, был
предложен указанному зарубежному издательству и был принят, подготовлен на английском языке и издан. Понимая, что главная цель
авторов — познакомить со специфическим классом радиолокаторов
ближнего действия именно отечественных специалистов, авторы специально предусмотрели легальную возможность последующего издания книги в России, что сейчас и делают, пользуясь изменившимися
условиями издания научных монографий в России, в виде перевода
американской книги с английского языка и с некоторыми дополнительными разъяснениями, необходимыми, на наш взгляд, российскому
читателю.
В русский текст книги внесены небольшие изменения. Глава 6
американского издания, в которой подробно описывался метод символических укороченных уравнений С.И. Евтянова, практически неизвестный зарубежным специалистам, из российского издания устранена, поскольку этот материал прекрасно известен российскому читателю.
Вместе нее добавлен материал по задающим генераторам
и автодинам со стабилизацией амплитуды колебаний (новая глава
10). Кроме того, учитывая, что в российской печати много внимания уделялось и уделяется автодинным устройствам, в текст главы
9 добавлен краткий обзор российских литературных источников по
этому вопросу.
Перевод текста американской книги на русский язык осуществлялся под редакцией С.М. Смольского.
Нам очень приятно отметить, что в мире наша книга пользуется,
как нам известно, популярностью и получает хорошие отзывы. Совершенно неожиданно для нас мы увидели в 2004 году рецензию на
нее, опубликованную в одном из престижных журналов IEEE [2], подготовленную известным специалистом одного из университетов Финляндии. Рецензия подробно отражает интересные для американских

Предисловие

радиоспециалистов положительные и отрицательные стороны книги.
Эти оценки представляются нам настолько интересными, что мы сочли целесообразным привести в русском издании точный перевод этой
большой рецензии (Приложение 1) и рекомендуем читателям ее просмотреть.
Как отмечено в предисловии к американскому изданию книги, в
нее вошла лишь небольшая часть обширного материала, полученного авторами при проведении многолетних научно-исследовательских
работ в области ЧМ РЛС и ЧМ генераторов, в том числе и автодинов. Эти работы проводились на кафедрах радиоприемных устройств
и формирования колебаний и сигналов Московского энергетического
института (технического университета). Большинство работ выполнялось по соответствующим постановлениям Правительства в тесном
взаимодействии с рядом НИИ, предприятиями промышленности и
другими вузами. Таким образом, вся совокупность полученных результатов — это труд большого количества специалистов.
Поэтому нам бы хотелось добрым словом почтить память тех
наших Учителей, наставников, коллег и помощников, которых, к сожалению, уже нет с нами — И.И. Бакулова, М.В. Благовещенского, А.И. Гасликова, И.М. Когана, Л.Я. Николаевой, Е.А. Магаюмова,
Н.К. Свистова, В.И. Сифорова, Г.М. Уткина, А.И. Яровского и выразить нашу благодарность ныне здравствующим — А.А. Абдулкину,
С.Л. Артеменкову, С.Н. Биккенину, В.М. Богачеву, В.Е. Дубровину,
В.А. Иванову, Г.Г. Киле, В.Н. Кулешову, Л.Н. Лауту, В.Г. Лысенко, Т.И. Мамонкиной, С.А. Моросанову, М.И. Мусянкову, Ю.А. Нуждину, А.В. Попову, В.И. Плещееву, Ю.В. Пырсикову, Н.Н. Рыжову,
М.А. Соловьеву, Л.С. Субботину∗.
Мы рады, что российское издательство «Горячая Линия — Телеком» согласилось издать русский вариант книги, за что мы ему искренне благодарны, и теперь нам будет очень приятно, если заинтересованные российские читатели выскажут нам через издательство или
напрямую вопросы, замечания и рекомендации по улучшению книги.

∗ Фамилии указаны в алфавитном порядке.

Предисловие к американскому изданию

Материал предлагаемой читателю книги базируется как на литературных источниках, так и на небольшой части многолетних научноисследовательских работ авторов в области частотномодулированных
(ЧМ) радиолокационных станций (РЛС) ближнего действия, включая
РЛС автодинного типа. Достаточно большая часть материала книги излагалась на Радиотехническом факультете МЭИ на лекциях по
курсам «ЧМ РЛС ближнего действия», «Теория обработки сигналов»,
«Транзисторные автодины», а также на лекциях, семинарах и научнотехнических конференциях на предприятиях промышленности.
Для кого написана эта книга? Мы думаем, что эта книга может
быть полезна студентам и аспирантам соответствующих радиотехнических специальностей, специалистам (инженерам) в области РЛС,
которые захотят познакомиться или плотно занимаются теорией и
разработкой ЧМ РЛС и ЧМ задающих генераторов (ЗГ) и автодинов. Надеемся, что она будет интересна и для научных работников
и преподавателей технических университетов — узких специалистов
по этой тематике.
Можно ли с помощью этой книги спроектировать РЛС? Наш многолетний опыт совместной работы с промышленностью дает возможность совершенно определенно дать отрицательный ответ на этот вопрос. Ведь эта книга — только основы теории ЧМ РЛС. А для проектирования необходимо располагать множеством дополнительных сведений, которых в этой книге нет, да мы и не собирались их в нее
включать. Вместе с тем, очевидно, что, не зная основ, нельзя вообще
ничего спроектировать, и изучение их необходимо в любом случае.
Книга состоит из двух частей. Первая часть — это основы теории
ЧМ РЛС и устройств обработки сигналов в режиме ближнего действия, вторая часть — это основы теории задающих генераторов ЧМ
РЛС и излучающих ЧМ автодинов. На первый взгляд, такое сочетание может показаться странным, но не будем спешить с выводами.
Сначала отметим, что излучающий ЧМ автодин по своему принципу действия может работать только в составе РЛС, причем наиболее
эффективно в составе ЧМ РЛС ближнего действия с непрерывным излучением. Действительно, на практике специалисты по ЧМ РЛС, как
правило, не знакомы с теорией автодинов. Они, если и применяют

Предисловие к американскому изданию

автодин при разработке радара, то интересуются только его техническими характеристиками, а вовсе не теоретическим рассмотрением.
Специалисты по автодинам, как правило, мало или вообще не знакомы с теорией ЧМ РЛС и схем обработки сигналов. Вот почему нам
пришла простая и неожиданная мысль, а почему бы в одной книге,
посвященной основам ЧМ РЛС, не представить материалы по этим
двум направлениям? Тогда специалист, интересующийся ЧМ РЛС,
может познакомиться с новым для себя вопросом основ теории автодинов и, соответственно, наоборот — специалист по автодинам сможет
познакомиться с теорией ЧМ РЛС. Насколько это удалось нам и насколько эффективно такое сочетание — судить читателю.
Конечно, многие вопросы не нашли отражения в американской
книге и в ее переводе. Из числа таких вопросов, относящихся к первой
части, можно назвать теорию работы ЧМ РЛС ближнего действия по
реальному, т.е. флюктуирующему сигналу, шумовую и кодовую модуляцию, цифровую обработку отраженного сигнала, вопросы проектирования ЧМ РЛС и ряд других. Во второй части не затронуты такие
вопросы, как двухтактные и кольцевые автодины, автодины с линиями задержки, автодины с осесимметричными антеннами и антенными решетками, многоэлементные автодины со сложением мощностей
в пространстве, лазерные автодины и многое другое. Очевидно, что
изложить все эти вопросы в одной книге совершенно нереально и их
авторы отложили на будущее.
При подготовке текста книги мы в определенной степени следовали известному афоризму Бертрана Рассела: «Книга должна быть
либо ясной, либо строгой, совместить эти два требования невозможно». Поэтому в первой части книги предпочтение отдано ясности, но
не в ущерб строгости, а во второй части предпочтение отдано строгости, но не в ущерб ясности. По крайней мере, так нам кажется.
Материал первой части написан по принципу «от простого к более сложному». Каждая глава — это как бы ступенька лестницы, по
которой поднимается читатель.
Первая глава предназначена для тех читателей, которые может
быть, и слышали о ЧМ РЛС, но не имеют ясного представления о
возможностях этих радаров и областей их применения.
В начале главы дается краткая история возникновения и дальнейшего развития ЧМ РЛС. Далее приводятся примеры их использования в разных областях, причем некоторые из приводимых примеров
достаточно хорошо известны. Это, в первую очередь, радиоальтиметры и измерители уровня жидких или порошкообразных продуктов в
закрытых резервуарах. Остальная часть примеров относится к возможным применениям ЧМ РЛС в качестве навигационных станций,

Предисловие к американскому изданию
7

обнаружителей движущихся объектов, охранных систем, прецизионных измерителей расстояний до неподвижных или медленно движущихся объектов, измерителей сверхмалых изменений дальности, измеряемых сотыми долями миллиметра, бесконтактных измерителей
вибраций и давления газа или жидкости, и другим. Мы надеемся,
что после прочтения этой главы у читателя возникнет желание прочесть и все остальные.
Материал второй главы — это основа для всего дальнейшего материала первой части книги. В этой главе рассматриваются основные
структурные схемы ЧМ РЛС и выводятся выражения для излучаемого, отраженного и преобразованного сигналов. Под последним подразумевается сигнал на выходе СВЧ преобразователя частоты. Этот
сигнал в литературе иногда называется промежуточным или дальномерным.
Особенность представленного в главе анализа состоит в том, что
преобразованный сигнал рассматривается как продукт текущей разности фаз излучаемого и отраженного сигналов, а не как продукт
разности их мгновенных частот. Такой метод анализа — точный и
общий, он дает возможность наиболее просто получить необходимые
соотношения, в частности основные соотношения для параметров преобразованного сигнала. Он позволяет также очень просто объяснять
некоторые особенности преобразованного сигнала. При желании или
при необходимости легко перейти и к частотной интерпретации.
Материал второй главы получает дальнейшее развитие в третьей
главе, где рассматриваются параметры и характеристики преобразованного сигнала при различных, наиболее распространенных законах
периодической частотной модуляции: синусоидальной, двойной синусоидальной, различных типов линейной модуляции: симметричной,
несимметричной и неравнобедренной пилообразной. Наибольшее внимание уделено анализу преобразованного сигнала при модуляции по
закону несимметричной пилообразной функции, так как применение
этой модуляции дает возможность во многих случаях получить наилучшие характеристики ЧМ РЛС.
В связи с тем, что при современной элементной базе возможно применение в качестве задающего генератора синтезатора частот,
в главе рассматриваются особенности преобразованного сигнала при
дискретной модуляции по линейному закону.
В конце главы дается оценка влияния нелинейности модуляционной характеристики передатчика на параметры преобразованного
сигнала.
Вторая и третья главы служат основой для дальнейшего изложения.

Предисловие к американскому изданию

В четвертой главе рассматриваются так называемые интегральные способы обработки преобразованного сигнала. Термин «интегральные» может быть не совсем удачный, но другого не придумали. Под
интегральными способами подразумеваются такие способы обработки, при которых для измерения дальности до цели и относительной
скорости используются частотно-фазовые параметры преобразованного сигнала.
Вначале кратко рассматриваются возможные способы обработки сигнала. Далее, значительная часть материала главы (примерно
20 %) посвящена рассмотрению влияния паразитной амплитудной модуляции излучаемого сигнала на работу приемника РЛС и нескольких
достаточно эффективных способов уменьшения этого влияния. Затем
рассматриваются способы стабилизации девиации частоты и линеаризации модуляционной характеристики передатчика.
В разделе «Частотная обработка преобразованного сигнала» рассматриваются как давно известные методы обработки преобразованного сигнала, так и относительно новые. Описания первых приведены для полноты изложения и чтобы не отсылать читателя к старым
литературным источникам, которые могут быть труднодоступны. К
этим методам относится метод измерения расстояния путем подсчета
числа нулей преобразованного сигнала за период модуляции и метод
использования девиации частоты преобразованного сигнала при синусоидальной модуляции.
В следующем разделе рассматриваются методы измерения расстояния, основанные на измерении мгновенной частоты преобразованного сигнала, фиксации этой частоты и фиксации девиации частоты
преобразованного сигнала.
Завершается глава разделом, в котором анализируются возможности измерения дальности путем измерения фазового сдвига преобразованного сигнала за период модуляции. Показано, что этот способ позволяет измерить дальность с погрешностью не более десятых
долей процента, причем при технически реализуемых величинах девиации частоты излучаемого сигнала.
В последней пятой главе первой части рассматриваются способы
обработки преобразованного сигнала, основанные на использовании
характеристик и параметров его спектра.
Как показывает многолетний опыт обсуждения этих вопросов с
коллегами и студентами, наибольшая трудность при изучении этого материала состоит в том, что необходимо представлять картину
спектра в координатах частота-дальность. По этой причине сначала рассматривается зависимость отдельных составляющих спектра от
дальности, а затем рассматривается трехмерная картина спектра в
координатах напряжение-частота-дальность.

Предисловие к американскому изданию
9

Далее на основании проведенного анализа рассчитывается теоретическая и реальная разрешающая способность по дальности. В развитие этого вопроса рассчитывается разрешающая способность при
применении весовой обработки сигнала. Причем подробно объясняется физическая сущность весовой обработки.
Естественным продолжением этого материала является радиолокатор со сканированием по дальности. Здесь рассматриваются различные способы построения физического анализатора спектра преобразованного сигнала и такой важный параметр анализатора, как
минимально необходимое время анализа.
Как и в предыдущей главе, описывается один из возможных способов обработки, при котором обеспечивается нормальная работа приемника при значительном превышении сигналом уровня паразитной
амплитудной модуляции преобразованного сигнала.
В завершении главы приводятся различные способы обработки
отдельных составляющих спектра преобразованного сигнала. Здесь
заслуживают внимания разделы, где обсуждается возможность применения ЧМ сигнала вместо многочастотного сигнала и способы использования фазовых соотношений.
Вторая часть книги посвящена вопросам построения передатчиков ЧМ РЛС (главы 6–8) и простому и компактному СВЧ устройству,
называемому разными авторами и научными школами автодинами,
генераторами со смешиванием (self-mixing oscillator) или смесителями с генерацией (self-generating mixer) (главы 9–11).
По существу
же такие каскады являются очень сложными устройствами, сформированными автоколебательными системами, связанными взаимной
цепью с приемо-передающей антенной. В таком СВЧ каскаде комбинируется функция выработки запросного ВЧ сигнала с заданными
характеристиками, его излучения антенной, приема той же антенной
отраженного от цели (от анализируемого объекта) сигнала и выработки реакции на этот собственный запаздывающий во времени переотраженный сигнал, амплитуда которого может быть как малой, так
и большой.
Принципиально нелинейный режим работы автодина, необходимый для процессов генерирования запросного сигнала и для процесса преобразования переотраженного сигнала, вместе со сложностью
полупроводниковых активных СВЧ элементов, СВЧ колебательных
систем, трудностями комбинирования всех этих функций и обеспечивают сложность теоретического анализа таких устройств и большой
интерес к ним научных работников. Множество диссертаций защищается сейчас (по крайней мере, в России) по этому направлению.
Интерес же инженеров к автодинам обусловлен тем, что эти устройства просты по начертанию, исключительно малогабаритны и дешевы

Предисловие к американскому изданию

при массовом применении, требуют одной антенны без дорогих и развязывающих СВЧ устройств. Кроме того, как нелинейные устройства, автодины позволяют предлагать нестандартные схемные решения, например распределенные автодины со сложением мощностей,
помехоустойчивые автодины с разнообразными законами частотной
модуляции, автодины, сопрягаемые с нестандартными антеннами, и
многие другие.
Какой ж путь описания характеристик автодинов для ЧМ РЛС
принят во второй части данной книги?
Очень часто в российской и западной научной литературе исследователи пытаются идти простым путем: найти очень простые приближенные трактовки процессов в автодине, прибегая к уже сформировавшимся понятиям из теории других устройств. Таких примеров
можно привести очень много, например одна из первых (пионерских)
работ по автодинам американских авторов R.D. Huntoon, B.G. Miller
(Electronics, November, 1945) рассматривает автодинный сигнал как
реакцию на меняющуюся СВЧ нагрузку. Иногда используют другие
модели автодина как смесителя с фиксированной амплитудой гетеродинного сигнала или как синхронизированного генератора, переведенного в режим биений. При этом можно попытаться объяснить
простейшие процессы в автодине, но как только речь заходит о реальных задачах и практических вопросах, эти трактовки сразу же дают
серьезные (иногда принципиальные) ошибки. Приходится, даже говоря об основах функционирования автодинных систем, обращаться
к сложным моделям и лезть в теоретические дебри. Вспоминается,
как на одной из защит диссертаций один известный специалист в радиотехнике пошутил так, слегка перефразировав слова философов об
электроне: «Автодин так же неисчерпаем, как и атом». Нам кажется,
что в этой шутке есть серьезная доля истины.
Авторы все-таки решили не стесняться таких сложностей, дабы
читатель сразу представлял себе, что простыми объяснениями тут
не отделаться и если возникает проблема просмотреть сложный вопрос (например, динамические свойства, скорость пересинхронизации,
установление автодинного сигнала при частотной модуляции, нелинейные искажения при ЧМ и т.д.), то надо готовиться к серьезной
неторопливой работе со сложной математизированной литературой,
со сложными моделирующими компьютерными пакетами, сложной
СВЧ экспериментальной аппаратурой и всеми другими прелестями
современной инженерной практики.
В шестой главе (первой главе второй части) описан очень распространенный среди российских ученых метод символических укороченных уравнений, который позволяет легко и красиво анализировать