www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Что такое АРУ в приемнике?

Методы автоматической регулировки усиления

В большинстве радиолокационных приемников для обеспечения линейной обработки (без ограничения амплитуды) принятых сигналов применяются те или иные средства для управления уровнем общего усиления.

  English Russian (Cyrillic) German
STC sensitivity
time
control
Временная
Автоматическая
Регулировка
Усиления
entfernungs- (also: zeit-) abhängige
automatische Verstärkungsregelung
(Siemens- Neudeutsch: GTC: Gain Time Control)
AGC automatic
gain
control
Шумовая
Автоматическая
Регулировка
Усиления
rauschabhängige
Automatische
Verstärkungs-
Regelung
MGC main
gain
control
Ручная
Регулировка
Усиления
Handregelung
log amp logarithmic
amplifier
Логарифмический усилитель logarithmischer Verstärker

Таблица 1. Методы регулировки усиления

Временная автоматическая регулировки усиления (ВАРУ)

Зависимость коэффициента усиления приемника от времени при использовании метода ВАРУ

Diagram of the sensitivity time control: the gain is a function of the echoes time delay; © 2009 Christian Wolff

Зависимость коэффициента усиления приемника от времени при использовании метода ВАРУ

Одной из особенностей функционирования приемников радиолокаторов является то, что амплитуды принимаемых ими эхо-сигналов могут изменяться в очень широких пределах в зависимости от дальности до цели. По этой причине настройки усиления приемника, предпочтительные для эхо-сигналов целей на малых дальностях, не подходят для приема сигналов, отраженных целями, находящимися на больших дальностях. Коэффициент усиления приемника должен быть максимальным для эхо-сигналов целей на больших дальностях и минимальным для эхо-сигналов ближних целей. Очевидно, что коэффициент усиления должен изменяться в зависимости от времени: быть минимальным в начале периода зондирования и постепенно увеличиваться по мере увеличения времени запаздывания эхо-сигналов. Схему, реализующую регулировку коэффициента усиления в зависимости от времени в пределах одного периода зондирования, называют схемой временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) или аттенюатором с переменным коэффициентом ослабления.

Временная автоматическая регулировка усиления реализуется путем подачи меняющегося во времени напряжения смещения на усилительные каскады усилителя промежуточной частоты. На Рисунке 1 линией красного цвета показана типовая зависимость коэффициента усиления от времени. Зеленой линией показана зависимость амплитуды сигнала на входе приемника. Во время генерирования в передатчике и излучения зондирующего сигнала схема ВАРУ уменьшает коэффициент усиления приемника до нуля для того, чтобы предотвратить усиление сигнала передатчика, просачивающегося в приемный тракт (сигнал «пролаза»). После окончания излучения зондирующего сигнала напряжение ВАРУ начинает расти, постепенно увеличивая коэффициент усиления приемника. В идеальном случае коэффициент усиления приемника должен увеличиваться прямо пропорционально четвертой степени дальности (R4), то есть обратно пропорционально уменьшению мощности эхо-сигнала. На практике эту зависимость часто заменяют экспоненциальной функцией, легко реализуемой в виде напряжения на заряжающемся конденсаторе.

Регулировку коэффициента усиления приемника при помощи ВАРУ обычно ограничивают дальностью около 50  миль. Считается, что в большинстве случаев сигналы, отраженные целими, находящимися ближе 50 миль еще могут перегрузить приемник (ввести его в насыщение), а после 50 миль это уже маловероятно и регулировка усиления уже не требуется.

Автоматическая регулировка усиления по уровню сигнала
тракт сигнала
управляющее
напряжение
ПЧ
ПЧ
CL
Itot
Ra
Ua

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема АРУ

тракт сигнала
управляющее
напряжение
ПЧ
ПЧ
CL
Itot
Ra
Ua

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема АРУ

automatic gain control block diagram
тракт сигнала
управляющее
напряжение
ПЧ
ПЧ
CL
Itot
Ra
Ua

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема АРУ

Регулировка усиления приемника необходима для настройки его чувствительности таким образом, чтобы обеспечить наилучший прием сигналов с амплитудами, изменяющимися в широких пределах. При этом, различие амплитуд может быть вызвано не только зависимостью от дальности, для компесации которой применяют метод ВАРУ, описанный выше. Принимаемые сигналы могут быть отраженными от целей с разной эффективной поверхностью или представлять собой помехи. Поэтому в некоторых радиолокационных приемниках применяют схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) по среднему уровню принимаемого сигнала. Разновидностью этого метода является мгновенная автоматическая регулировка усиления (МАРУ).

В простейшем случае схема АРУ изменяет напряжение смещения (а значит, и коэффициент усиления) усилительных каскадов усилителя промежуточной частоты по среднему уровню принимаемого сигнала. При этом, если принимаются сигналы разных амплитуд, усиление подстраивается под меньший из них. Чаще используется метод мгновенной АРУ, поскольку он регулирует усиление приемника для каждого сигнала.

Схема АРУ представляет собой широкодиапазонный усилитель постоянного тока. Упрощенная структурная схема приведена на Рисунке 2. При изменении амплитуды принятого эхо-сигнала он мгновенно меняет коэффициент усиления усилителя промежуточной частоты. В случае применения мгновенной автоматической регулировки усиления обеспечивается полный (максимальный) коэффициент усиления для слабых сигналов и уменьшенный — для сильных сигналов. Диапазон работы МАРУ определяется количеством каскадов усиления в УПЧ, охваченных регулировкой. Если регулируется усиление только одного каскада, то диапазон работы МАРУ ограничивается на уровне около 20 дБ. Если количество таких каскадов увеличивается, до диапазон работы МАРУ может быть увеличен до 40 дБ.

Описанный выше метод регулировки усиления не учитывает влияние шумов и помех на характеристики обнаружения. Для поддержания постоянного уровня помех применяют шумовую автоматическую регулировку усиления (ШАРУ). В такой схеме коэффициент усиления УПЧ регулируется по измеренному уровню шума.

Логарифмический усилитель

Еще одним методом компенсации влияния большого динамического диапазона амплитуд принятых сигналов является использование так называемого логарифмического усилителя. Из его названия понятно, что зависимость коэффициента усиления от амплитуды входных сигналов для такого усилителя описывается логарифмической функцией. Слабые сигналы подвергаются большему усиления, а сильные — меньшему. Для сигналов низкой амплитуды это почти линейное усиление, а с увеличением амплитуды сигналов передаточная функция все больше становится логарифмической.

фильтр ПЧ
ПЧ
усилитель ПЧ
разные пороги
видео
Ue
Itot
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Рисунок 3. Структурная схема логарифмического усилителя

фильтр ПЧ
ПЧ
усилитель ПЧ
разные пороги
видео
Ue
Itot
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Рисунок 3. Структурная схема логарифмического усилителя

logaritmic amplifier block diagram
фильтр ПЧ
ПЧ
усилитель ПЧ
разные пороги
видео
Ua
Itot
Ra
Ua
I1
I2
I3
I4
I5

Figure 3: logaritmic amplifier block diagram

Логарифмический усилитель представляет собой ненасыщающийся усилитель, характеристика усиления которого подбирается таки образом, что, как правило, дополнителные меры по регулировке усиления уже не требуются. Следует отметить, что в логарифмическом усилителе выполняется также и детектирование принятого сигнала.

Логарифмический усилитель состоит из нескольких последовательных каскадов усиления, количество которых определяет динамический диапазон всего усилителя. Типовая структурная схема логарифмического усилителя приведена на Рисунке 3. Если бы в схеме отсутствовали детекторы со второго по пятый, то выходное напряжение было бы ограничено насыщением последнего каскада усиления. Детекторы, подключенные к каскадам со второго по пятый, обнаруживают вход каскада в насыщение, после чего на их выход проходит выпрямленный сигнал. Сигналы с выходов всех детекторов складываются и поступают на выход.

Например, сигнал имеет амплитуду, когда в насыщение входит третий каскад усиления. В этом случае на выходе первого каскада будет наблюдаться неискаженный продетектированный сигнал. Второй каскад не насыщается и поэтому на выходе второго детектора сигнала нет. Насыщение третьего каскада приведет к возникновению на выходе его детектора некоторого напряжения, которое будет добавлено к выходному напряжению первого каскада.

Подбором коэффициентов усиления каскадов и пороговых значений для детекторов добиваются требуемого вида передаточной характеристики усилителя.

На практике часто применяют логарифмический усилитель совместно с ВАРУ.

Динамическое изменение усиления
усиление
дальность
азимут
область сильных помех

Рисунок 4. График динамического усиления ВАРУ

Diagramm von dynamischen STC-Kurven
усиление
дальность
азимут
область сильных помех

Рисунок 4. График динамического усиления ВАРУ

Локальные уровни пассивных помех определяют величину требуемого коэффициента усиления — в области интенсивных помех коэффициент усиления желательно уменьшать. Поэтому коэффициент усиления должен изменяться с вращением развертки. В современных системах динамически измеряется уровень помех для большого количества ячеек в зоне действия радиолокатора. Результаты этих измерений используются для установки динамически изменяющегося усиления схемы ВАРУ для ячейки «азимут-дальность», обрабатываемой в текущий момент (Рисунок 4).

Такой подход, хотя и простой в принципе, может привести к снижению эффективности схемы селекции движущихся целей (СДЦ) на краю пассивной помехи. Это связано с резким изменением усиления на краю помехи, приводящим к разрушению ее структуры. Кроме этого, в случае использования длинных импульсов с последующим сжатием, резкие изменения амплитуды могут снижать эффективность сжатия.

Изменяющийся коэффициент усиления обычно реализуется при помощи pin-диодов, подбирая напряжения смещения которых, добиваются требуемого вида передаточной характеристики.