авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Севастопольский национальный технический университет

ОСНОВЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ

СИСТЕМ

Методические указания

к курсовому проектированию

по дисциплине «Радиоэлектронные системы»

для студентов дневной и заочной

форм обучения

Севастополь 2011

2

УДК 621.369.9

Лукьянчук А.Г.

Основы проектирования радиоэлектронных систем: Мето дические указания к курсовому проектированию/ А.Г. Лукьянчук – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011 – 60 с.: ил.

В учебном пособии рассмотрены принципы построения систем радиолокации, приводится порядок и методика расчета основных так тических и технических характеристик радиоэлектронных систем на примере импульсной обзорной РЛС.

Необходимость издание данного методического пособия вызва но тем, что в течение последних десятилетий не издавалась учебная литература по проектированию и расчету характеристик радиосистем.

Пособие предназначено для студентов радиотехнических специ альностей и будет полезным при курсовом проектировании по дисци плине «Радиоэлектронные системы».

Методические указания утверждены на научно-методическом семи наре кафедры радиотехники.

Рецензент: к.т.н. доцент кафедры РТ Михайлюк Ю.П © Издательство СевНТУ СОДЕРЖАНИЕ Введение....................................................................................................................... 1. ВЫБОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС........................................... 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА................ 2.1. Выбор рабочей длины волны передатчика РЛС..................................... 2.2. Выбор периода следования зондирующих сигналов.............................. 2.3. Выбор длительности зондирующего сигнала......................................... 3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ РЛС........................................................ 4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА.................................... 4.1. Основные соотношения для последовательного обзора........................ 4.2. Круговой и секторный обзоры пространства.......................................... 4.3. Винтовой и строчный обзор пространства.............................................. 4.4. Спиральный обзор пространства.............................................................. 4.5. Коническое сканирование......................................................................... 4.6. Обзор земной поверхности при картографировании............................ 5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА.................. 5.1. Расчет пороговой мощности приемника.................................................. 5.2. Расчет мощности шума радиоприемного устройства............................ 5.3. Расчет коэффициента различимости........................................................ 5.3.1. Расчет параметра обнаружения..................................................... 5.3.2. Расчет потерь при обработке......................................................... 6. РАСЧЕТ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РЛС......................................... 6.1. Оценка потенциальной разрешающей способности.............................. 6.2. Расчет разрешающей способности выходного устройства................... 7. РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ.................. 7.1. Систематические и случайные погрешности.......................................... 7.2. Случайные погрешности измерения дальности объектов..................... 7.3. Случайные погрешности измерения угловых координат объектов..... 8. РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ............ 9. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАТЧИКА И ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ РЛС................................................................................................. Заключение................................................................................................................. Литература.................................................................................................................. ВВЕДЕНИЕ Задачей курсовой работы является углубление знаний студентов о современ ных радиотехнических комплексах, овладение методиками обоснования и расчета основных характеристик радиоэлектронных систем (РЭС), развитие навыков иссле дования и системного подхода к разработке радиотехнической аппаратуры. В ре зультате выполнения курсовой работы студент должен рассчитать и обосновать ос новные характеристики системы, составить и описать структурную схему радиоло кационной станции (РЛС) в соответствии с индивидуальным заданием.

Задание на курсовую работу включает в себя: тему работы, исходные данные для расчета и технические характеристики системы, которые должны быть рассчи таны при проектировании.

Расчетно-пояснительная записка объемом до 25…30 страниц формата А должна содержать:

титульный лист;

задание на курсовую работу, подписанное руководителем и студентом;

содержание расчетно-пояснительной записки;

введение (постановку задачи, обзор современного состояния вопроса по раз рабатываемому варианту РЛС);

выбор и обоснование структурной схемы РЛС и описание её работы;

расчет тактико-технических характеристик РЛС;

сводную таблицу заданных и полученных в результате расчетов параметров проектируемой РЛС;

заключение (выводы по работе);

библиографию.

Необходимые функциональные схемы, временные диаграммы токов и напря жений, графики и прочие иллюстрационные материалы выполняются на листах формата А4 и подшивается к пояснительной записке. Все параметры и коэффициен ты, которые в процессе выполнения курсовой работы не рассчитываются, а выбира ются, должны иметь краткое техническое обоснование.

Перечень литературы, который приводится в данном методическом пособии, не является полным, но охватывает основные учебные и научно-технические изда ния, выпущенные в свет за последние 30 лет. Все перечисленные монографии и учебники имеются в библиотеке университета или их полнотекстовые копии разме щены в сети Интернет. Наличие в перечне достаточно старых источников объясня ется тем, что теория и методы радиолокации были сформированы и опубликованы в течение 60-80-х годов 20 века.

В течение последних десятилетий совершенствовались в основном элементная база приемопередающей аппаратуры и устройства вторичной обработки радиолока ционной информации, а по системным вопросам учебная литература не издавалась.

Этим и вызвано издание данного методического пособия.

В сети Интернет студент без особого труда может найти описания и техниче ские характеристики современных радиолокационных систем. Курсовая работа по радиоэлектронным системам должна выполняться на основании анализа характери стик современных РЛС, что требует привлечения, как учебной и научно технической литературы, так и электронных ресурсов.

Ссылки на используемую литературу и электронные ресурсы по тексту пояс нительной записки являются обязательными.

Приступая к курсовому проектированию по радиоэлектронным системам не обходимо уяснить его следующие особенности:

системное проектирование отличается необходимостью учета взаимного влияния и взаимозависимости большого числа характеристик, как самой системы, так и параметров входящих в систему устройств (антенн, радиопередатчиков, при емников, индикаторов и др.). Поэтому в процессе проектирования приходится мно гократно проверять, изменять, корректировать и уточнять выбранные или рассчи танные параметры с учетом новых полученных результатов;

не всегда разработчику удается полностью выполнить все требования заказ чика, при этом он должен представить несколько вариантов разрабатываемой сис темы или предложить возможные пути её модернизации.

В процессе выполнения курсовой работы по РЭС целесообразно воспользо ваться следующей обобщенной методикой расчета [5,11] основных технических по казателей радиосистемы:

1) Выбор методов измерения координат объектов. На этом этапе следует снача ла изучить по литературным источникам методы измерения дальности, угловых ко ординат и скорости объектов. В большинстве обзорных РЛС применяют импульс ный метод измерения дальности, позволяющий производить измерение до несколь ких объектов. Для измерения угловых координат наибольшее распространение по лучил амплитудный метод максимума, но для повышения точности измерения при меняют также равносигнальный и фазовый методы, позволяющие реализовать авто матическое сопровождение цели по угловым координатам.

2) Обоснование структурной схемы РЛС. Составление структурной схемы РЛС следует начинать с изучения принципов формирования зондирующего сигнала и структуры приемного тракта, в котором производится обработка сигнала и выделе ние его на фоне помех. После этого следует разработать структурную схему индика торного устройства и выбрать вид развертки и проанализировать особенности пред ставления радиолокационной информации на экране индикатора.

3) Выбор рабочей длины волны производится из условий обеспечения следую щих основных характеристик системы:

дальности действия РЛС, которая снижается при укорочении длины волны из-за возрастания поглощения энергии радиоволн в реальной атмосфере;

разрешающей способности системы по угловым координатам, которая опре деляется шириной ДН антенны и улучшается при укорочении длины волны.

4) Расчет характеристик обзора пространства. В соответствии с заданием вна чале должен быть сделан выбор вида обзора пространства, на основании которого последовательно следует определить: период обзора, угловую скорость вращения антенны, время облучения цели. На этом этапе расчета должны быть окончательно определены: вид и параметры зондирующих сигналов, ширина ДН, КПД, КНД и эффективная площадь антенны.

В случае если темой курсовой работы является создание РЛС сопровождения целей, то необходимо произвести расчет параметров обзора, как для режима поиска, так и для режима сопровождения целей.

5) Определение эффективной площади рассеяния объектов.

Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объектов характеризует их отражаю щие свойства, которые зависят от длины волны РЛС, конфигурации, материалов и размеров цели, а также от направления облучения.

Для большинства сосредоточенных реальных целей (самолет, корабль и т.п.) средняя ЭПР представлена в таблице. При определении ЭПР распределенных целей (подстилающая земная или морская поверхности, дождевой фронт и другие виды пассивных помех) необходимо, прежде всего, определить размер элемента поверх ностного и объемного разрешения, а затем, используя среднее значение удельной ЭПР, определить результирующую эффективную площадь рассеяния.

6) Определение пороговой мощности радиоприемного устройства РЛС. Сна чала необходимо определить требуемое отношение сигнал-шум на входе приемника, обеспечивающее заданные вероятности правильного обнаружения и ложной трево ги. После этого производится расчет потерь при обработке сигнала, рассчитываются мощность шумов приемника и минимальная мощность сигнала на его входе, доста точная для нормальной работы системы.

7) Расчет разрешающей способности РЛС. На этом этапе работы необходимо с учетом вида зондирующего сигнала и типа антенны определить потенциальную раз решающую способность РЛС по дальности (угловому положению, скорости). Далее необходимо оценить разрешающую способность индикатора разрабатываемой РЛС.

Если полученное значение превышает заданную разрешающую способность необходимо, либо изменить длительность сигнала, либо применить в РЛС сложный сигнал (ЛЧМ, ФМн и т.п.) Для улучшения разрешающей способности можно при менить также многошкальный метод измерения с разбивкой на диапазоны.

8) Расчет точности измерения радиоэлектронной системы. Потенциальная точность измерения координат и параметров движения объектов рассчитывается с учетом отношения сигнал/шум на входе измерительного устройства. Реальная точ ность измерения должна учитывать случайные ошибки аппаратуры измерения, а также ошибки, зависящие от условий распространения радиоволн в реальной атмо сфере. В случае если аппаратурные ошибки превосходят заданные, необходимо применять многошкальные методы отсчета с изменением масштаба.

9) Расчет энергетических характеристик радиосистемы. Этот расчет является завершающим этапом работы и включает в себя результаты всех ранее выполнен ных вычислений. Целью его является определения с помощью основных уравнений дальности минимальных импульсной и средней мощности передатчика РЛС, обес печивающих обнаружение целей на максимальной дальности. Расчет необходимо производить с учетом поглощения радиоволн в реальной атмосфере и осадках (с учетом их пространственной неравномерности).

В результате выполнения расчета должны быть даны рекомендации по сниже нию мощности передатчика за счет повышения помехоустойчивости, кодирования, выбора вида поляризации излучения и других факторов.

В заключение студент должен составить таблицу заданных и рассчитанных тактико-технических характеристик системы, сделать подробные выводы, в которых отразить пути улучшения параметров разработанной РЛС.

1. ВЫБОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС В соответствии с заданием на проектирование разработчик должен изучить по литературным источникам и справочникам принципы построения конкретных видов радиосистем, их особенности и структурные схемы.

На основании проведенного обзора студентом должна быть составлена под робная структурная схема разрабатываемой РЛС с указанием назначения всех бло ков и представлено описание её работы.

В современных радиосистемах реализуются различные методы измерения дальности (импульсный, частотный, фазовый), угловых координат (амплитудный или фазовый) и радиальной скорости объекта [1–6].

Рассмотрим принципы построения некогерентных обзорных РЛС, которые широко используются в навигации, управлении движением морских и воздушных судов и т.п. Для измерения дальности используется импульсный метод, а измерение угловых координат производится по угловому положению антенны при приеме мак симального уровня отраженного от цели сигнала.

Обобщенная структурная схема РЛС изо бражена на рисунке 1.1. Антенна Передатчик Передатчик формирует зондирующий сигнал, который через антенну излучается в пространство. Отраженный от цели сигнал по ступает через антенну на вход приемника, вы- Приемник Устройство деляется на фоне шума, усиливается, и в ин- поворота дикаторе измеряется время задержки t между антенны зондирующим и отраженным сигналами. Это Индикатор РЛС время задержки характеризует дальность D до цели t = 2 D c, где с 3·10 8 м/с.

Рисунок 1.1 –– Обобщенная В процессе работы устройство поворота структурная схема РЛС антенны перемещает диаграмму направленно сти по угловым координатам и информация об угле поворота антенны поступает на индикатор РЛС. В момент приема отраженного от цели сигнала на индикаторе отображается угловое положение антенны, соответ ствующее угловым координатам цели.

Рассмотрим принципы построения отдельных блоков импульсных обзорных некогерентных РЛС.

Импульсный передатчик некогерентной РЛС, как правило, строится по схеме, изображенной на рисунке 1.2.

к антенне Генератор Антенный Синхронизатор Модулятор высокой частоты переключатель к индикатору к входу приемника Рисунок 1.2 –– Упрощенная структурная схема передатчика некогерентной РЛС Синхронизатор РЛС представляет собой импульсный генератор, который формирует импульсы запуска передатчика и импульсы запуска развертки по дально сти в индикаторе. По величине временного запаздывания отраженных от цели им пульсов относительно импульсов синхронизатора производится оценка дальности до цели.

Период следования импульсов запуска определяется максимальной дально стью в соответствии с формулой (2.7) и может изменяться при переключении мас штаба дальности. Модулятор представляет собой усилитель, который подает управ ляющий прямоугольный импульс амплитудой несколько киловольт на генератор высокой частоты (ГВЧ). В качестве ГВЧ в большинстве некогерентных РЛС исполь зуются магнетроны, которые отличаются высоким КПД, небольшими габаритами и массой. Однако магнетроны не могут использоваться для формирования когерент ных или кодированных радиоимпульсов.

Антенный переключатель позволяет использовать в импульсной РЛС одну ан тенну: и для передачи, и для приема. На время излучения мощного импульса пере датчика происходит отключение приемника от волноводного тракта. После оконча ния зондирующего импульса приемник подключается к антенне для приема отра женных сигналов.

Радиоприемное устройство некогерентных РЛС строится, как правило, по структурной схеме, изображенной на рисунке 1.3.

к индикатору от антенны Балансный Предварит. Главный Амплитудный Видео УРЧ смеситель УПЧ УПЧ детектор усилитель от передатчика АПЧ Гетеродин ВАРУ от синхронизатора Рисунок 1.3 –– Структурная схема приемника некогерентной РЛС В некогерентных навигационных РЛС зачастую отсутствует усилитель радио частоты (УРЧ) и приемный тракт начинается непосредственно с балансного смеси теля, поскольку именно балансные смесители обладают наиболее широким динами ческим диапазоном. Размещаются УРЧ, смеситель, гетеродин и ПУПЧ, как правило, в антенном посте для сокращения потерь энергии в волноводном тракте. В качестве гетеродина используются диоды Ганна или отражательные клистроны.

Схема автоматической подстройки частоты (АПЧ) сравнивает частоту пере датчика с частотой гетеродина и подстраивает частоту гетеродина таким образом, чтобы их разность была равна промежуточной частоте. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) настраивается обычно на частоту 30 МГц или 60 МГц.

В тракте УПЧ используется схема временной автоматической регулировки усиления, которая запускается импульсами синхронизатора и плавно увеличивает во времени коэффициент усиления приемника после посылки зондирующего импульса.

Этим достигается одинаковый уровень сигналов на выходе приемника, как от близ корасположенных, так и от удаленных целей.

Амплитудный детектор выделяет видеосигнал (огибающую радиосигнала), который после усиления подается в индикатор РЛС.

Индикаторные устройства РЛС строятся на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) или жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). Двухмерность индикатора с яркостной отметкой позволяет просто и наглядно отображать две координаты объ екта: например, дальность и угловую координату (азимут или угол места).

Светящееся пятно на экране свидетельствует о наличии цели (или помехи) в зо не обзора РЛС, а положение этого пятна на экране позволяет определить две коор динаты цели (дальность –– D и угол –– ). Распространенные типы разверток двух координатных индикаторов показаны на рисунке 1.4.

0 0 D D D а) б) в) Рисунок 1.4 –– Принципы формирования разверток индикаторов РЛС:

а) радиально-круговая развертка;

б) радиально-секторная развертка;

в) строчная развертка Наибольшее распространение получили индикаторы кругового обзора (ИКО) с радиально-круговой разверткой (рисунок 1.4,а), поскольку изображение на них в полярной системе координат соответствует карте местности.

Принцип формирования радиально-круговой развертки как в ЭЛТ, так и ЖКИ одинаков, поэтому рассмотрим процесс её формирования на примере ЭЛТ.

Для осуществления линейной развертки по дальности на отклоняющую сис тему подается пилообразный ток, который заставляет электронный луч отклоняться с постоянной скоростью по радиусу от центра к краю экрана. Начало движения луча совпадает с моментом с моментом посылки зондирующего импульса.

Развертка по угловым координатам должна быть синхронизирована с углом поворота антенны и может формироваться двумя способами:

– механическим вращением отклоняющей системы на горловине ЭЛТ;

– подачей на неподвижную отклоняющую систему, состоящую на двух кату шек с перпендикулярными осями, пилообразные токи, модулированные по ампли туде синусным и косинусным током частотой вращения антенны и со сдвигом оги бающих модуляции на 90°.

Структурная схема ИКО изображена на рисунке 1.5. Импульс синхронизатора осуществляет одновременный запуск передатчика РЛС и генератора пилообразных импульсов развертки по дальности, которые подаются на отклоняющую систему (ОС). При выключенном вращении антенны, электронный луч прочерчивает на эк ране одну линию по радиусу от центра к краю экрана. Угловое положение этой ли нии определяется положением отклоняющей катушки и соответствует положению антенны. При включении поворота антенны начинается синхронное вращение ан тенны и ОС ЭЛТ. При этом на экране формируется радиально-круговая развертка.

Кроме того, на управляющий электрод ЭЛТ подаются прямоугольные импуль сы для подсвета прямого хода развертки дальности. Обратной ход развертки гасится за счет подачи соответствующего напряжения смещения на управляющий электрод ЭЛТ.

импульсы запуска от синхронизатора Генератор развертки по дальности Генератор неподвижных Формирователь меток дальности импульса подсвета ОС Генератор подвижной Видеосмеситель ЭЛТ метки дальности ОС от приемника Видеоусилитель приемника Формирователь развертки по угловой координате Формирователь меток по угловой координате от датчика угла поворота антенны Рисунок 1.5 –– Структурная схема индикатора обзорной РЛС Напряжение видеосигнала с выхода приемника поступает через видеосмеси тель на катод ЭЛТ и управляет интенсивностью электронного луча. При превыше нии порога зажигания под действием этого луча начинается свечение люминофора экрана. Яркость свечения зависит от интенсивности электронного луча. В результате на экране отображаются яркостные отметки от целей, местных предметов и дожде вых образований и т.п.

Грозовые Отражения облака от самолетов Метки азимута Неподвижные Отражения метки дальности от наземных объектов а) б) Рисунок 1.6 –– Изображения на экранах обзорных РЛС:

а) экран наземной РЛС кругового обзора;

б) экран самолетной РЛС секторного обзора земной поверхности Для удобства отсчета расстояний и угловых координат к видеосигналу добав ляются импульсы электронных меток. Генератор неподвижных меток дальности за пускается импульсом синхронизатора и формирует несколько коротких импульсов с фиксированным периодом. Импульсы меток, поступая через видеосмеситель на ка тод ЭЛТ, увеличивают интенсивность электронного луча. В результате на экране формируются неподвижные метки в виде концентрических окружностей, соответст вующих определенным калиброванным дальностям.

Для точного измерения дальности в ИКО формируют специальную подвиж ную электронную метку дальности, положение которой относительно начала раз вертки (центра экрана) может регулироваться. Время задержки импульса подвижной метки относительно момента запуска развертки отображается на дополнительном отсчетном устройстве в единицах измерения дальности. Совмещая подвижную мет ку дальности с изображением цели на экране, считывают величину дальности по указанной шкале.

Угломерные метки в виде линий, направленных по радиусу экрана, формиру ются в моменты, когда антенна занимает соответствующее угловое положение и за мыкаются контакты оптронных или магнитных датчиков в устройстве вращения ан тенны. Длительность импульсов угломерных меток равна длительности прямого хо да радиальной развертки.

Отсчет азимута цели, находящейся на одном из радиусов радиально-круговой развертки, выполняют относительно исходного (нулевого) направления по шкале, нанесенной по окружности экрана. В бортовых РЛС нулевым азимутом считают обычно направление продольной оси самолета или морского судна. В стационарных РЛС привязку угломерной шкалы производят к направлению на север.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА Зондирующий сигнал импульсной РЛС характеризуется: длиной волны;

пе риодом, длительностью и формой зондирующих импульсов;

видом излучения (коге рентное или некогерентное);

наличием внутриимпульсной модуляции (ЛЧМ, ФМН, шумоподобные сигналы и др.). От правильного выбора параметров зондирующего сигнала зависят главные технические и тактические характеристики РЛС, а значит, и её способность решать поставленные задачи.

2.1. Выбор рабочей длины волны передатчика РЛС Выбор длины волны сигнала передатчика РЛС производится из условий обес печения следующих основных характеристик системы:

максимальной дальности действия РЛС, которая снижается при укорочении длины волны из-за возрастания поглощение энергии радиоволн в реальной атмосфере;

разрешающей способности по угловым координатам и погрешности их изме рения, которые определяются шириной ДН антенны и улучшаются при уко рочении длины волны.

При этом необходимо учитывать взаимосвязь этих характеристик. На более коротких волнах проще реализуются как более высокая точность определения угло вых координат, так и угловая разрешающая способность РЛС. Однако при укороче нии длины волны с одной стороны, возрастает поглощающее и рассеивающее дей ствия гидрометеоров (дождь, снег, облака) и затухание в атмосфере, а с другой сто роны, при сохранении размеров антенны укорочение длины волны приводит к уве личению дальности обнаружения вследствие увеличения КНД антенны.

Для увеличения дальности действия РЛС проектанты обычно стремятся вы брать максимально допустимый размер антенны и минимальную рабочую длину волны. При этом студент должен учитывать, что геометрические размеры антенн стационарных наземных РЛС в большинстве случаев не превышают 4…6 метров.

Для мобильных и корабельных РЛС размеры антенн составляют 1,5…3 метра, а для самолетных –– менее 1,5 метра. Необоснованное увеличение размеров антенн при выполнении курсовой работы недопустимо.

Следует учитывать, что системы радиолокации работают на частотах от сред неволнового до оптического диапазонов. Каждая частотная область обладает опре деленными преимуществами и недостатками при использовании её для решения конкретных радиолокационных задач. Границы специальных диапазонов частот [10], выделенных Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) для радиолокации, приведены в таблице 2.1.

Использование диапазона частот менее 100 МГц для систем радиолокации в настоящее время признано нецелесообразным из-за мешающих отражений радио волн от ионосферы, высокого уровня шумов, необходимости больших размеров ан тенн и ряда других причин. Эти частоты использовались в первых РЛС периода вто рой мировой войны. В настоящее время они применяются в радиоастрономии, при ионосферном зондировании, когда высоту различных слоев ионосферы измеряют радиолокационными методами, и в стационарных, мощных РЛС загоризонтной ло кации с дальностью действия до 8 тыс. км для обнаружения запусков баллистиче ских ракет и ядерных взрывов.

Таблица 2.1. –– Диапазоны частот, применяемые в радиолокации (регламент МСЭ) Номер Диапазон частот Частота Длины волн диапазона Диапазон волн Очень высокие частоты (ОВЧ) 137... 144 МГц 2,08... 2,19 м Метровые волны (МВ) 216... 225 МГц 1,33... 1,39 м 420... 450 МГц 66,7... 71,4 см Ультравысокие частоты (УВЧ) 890... 940 МГц 29,6... 31,9 см Дециметровые волны (ДМВ) 1,210... 1,400 ГГц 21,4... 24,8 см 2,300... 2,550 ГГц 11,7... 13,0 см 2,700... 3,700 ГГц 8,1... 11,1 см 5,255... 5,925 ГГц 5,1... 5,7 см Сверхвысокие частоты (СВЧ) 8,500... 10,70 ГГц 2,8... 3,5 см Сантиметровые волны (СМВ) 13,40... 14,40 ГГц 2,1... 2,2 см 15,70... 17,70 ГГц 1,7... 1,9 см 23,00... 24,30 ГГц 1,2... 1,3 см Крайне высокие частоты (КВЧ) 33,40... 36,00 ГГц 8,3... 8,9 мм Миллиметровые волны (ММВ) 74... 73 ГГц 4,05... 4,11 мм Диапазон №8 (ОВЧ) используется в РЛС дальнего обнаружения с большими антенными полотнами и большой излучаемой мощностью передатчика. Эти РЛС обеспечивают относительно низкие разрешающие способности по угловым коорди натам, но имеют достаточно простое и надежное приемо-передающее оборудование.

Диапазон №9 (УВЧ) удобен для создания надежных РЛС наблюдения за воз душным пространством с большой дальностью действия до 800 км, с качественны ми системами селекции движущихся целей (СДЦ) за счет высокостабильного гене раторного приемопередающего радиооборудования. Радиоволны этого диапазона, как и ОВЧ, не испытывают существенных ослаблений в атмосфере и отражений от гидрометеоров (дождя, тумана, снега...).

Диапазон №10 (СВЧ) наиболее широко используется для построения РЛС средней дальности, как военного назначения (сопровождения воздушных целей, на ведения и управления оружием), так и гражданских РЛС (береговых, судовых, само летных навигационных;

управления воздушным движением и др.). Достоинствами РЛС этого диапазона являются: небольшой вес и габариты РЛС, что особенно важно для бортовых систем;

высокие разрешающие способности и точности измерения РЛС по дальности и угловым координатам. Однако поглощение энергии радиоволн в атмосфере и гидрометеорах, которое возрастает в коротковолновой части СВЧ диапазона, приводит к значительному снижению дальности действия РЛС.

Диапазон №11 (КВЧ) может использоваться только для РЛС малой дальности, так как затухание радиоволн, поглощение и отражение от осадков, высокий уровень внешних шумов, довольно низкая чувствительность приемников и сложность полу чения большой мощности передатчика приводит к ухудшению энергетических ха рактеристик системы. Главными достоинствами станций КВЧ диапазона является сверхмалые габариты и вес, высокие точность и разрешение при относительно ма лых размерах антенн, незначительное взаимное влияние различных РЛС.

Поскольку от выбора рабочей длины волны зависит целый ряд характери стик РЛС, то её значение не может быть однозначно вычислено по техническим па раметрам, заданным для проектирования РЛС. Поэтому следует произвести предва рительный расчет нескольких значений, удовлетворяющих тем или иным основ ным заданным параметрам станции, и после анализа полученных результатов вы брать из них наиболее целесообразный. При предварительном выборе целесооб разно остановиться на среднем значении частоты в диапазонах, приведенных в столбце 4 таблицы 2.1.

2.1.1. Оценка длины волны по заданным энергетическим показателям.

На первом этапе при выборе рабочей длины волны, предпочтение отдается энергетическим показателям станции, которые определяются уравнением дальности радиолокации с учетом поглощения энергии радиоволн в атмосфере:

PИ S A ЭФФ 10 0,05 (А l А + O l O ), DМАКС = (2.1) 4 PПР. МИН где DМАКС –– максимальная дальность действия РЛС;

РИ –– мощность сигнала передатчика, Вт;

SA –– эффективная площадь приемопередающей антенны, м2 ;

ЭФФ –– эффективная площадь рассеяния цели, м2 ;

PПР. МИН –– мощность сигнала на входе приемника, достаточная для нормальной работы системы, Вт;

А, О –– удельные коэффициенты поглощения энергии радиоволн в атмосфере и осадках, дБ/км;

lA, lO –– длина пути распространения радиоволн в атмосфере и осадках, км.

Анализ выражения (2.1) показывает, что с одной стороны использование бо лее коротких длин волн при неизменной эффективной площади SA антенны приво дит возрастанию направленных свойств антенны и к увеличению максимальной дальности действия DМАКС. Однако, при укорочении длины волны возрастает по глощение энергии О в осадках (дождь, снег, туман и т.п.) и молекулярное затуха ние А в атмосфере. Кроме того, следует учитывать, что при уменьшении рабочей длины волны возрастает средняя эффективная площадь рассеяния (ЭПР) реальных целей – ЭФФ, повышается коэффициент шума входных цепей приемника kШ, что приводит к необходимости увеличивать мощность сигнала на входе приемника РПР МИН, усложняется генераторное оборудование радиопередатчика, которое должно обеспечить необходимую мощность РИ излучаемого сигнала.

Результаты расчета требуемой мощности передатчика [5] по формуле (2.1), необходимой для обеспечения максимальной дальности действия на различных дли нах волн приведены на рисунке 2.1. Нормировка производилась к мощности излуче ния на длине волны 25 см. При расчете дополнительно учитывались:

поглощение энергии радиоволн в парах воды, кислороде воздуха и дождей интенсивностью 4 мм/час по всей трассе;

зависимость эффективной площади рассеяния реальной сосредоточенной цели (самолет) от длины волны;

возрастание шумовой температуры приемника с балансным смесителем на входе при повышении рабочей частоты РЛС.

Анализ полученных результатов показывает, что для РЛС с разными дально стями действия существуют оптимальные длины волн, на которых необходимая мощность излучаемых колебаний минимальна.

2.1.2. Оценка длины волны по угловой разрешающей способности. Разре шающая способность обзорной РЛС по угловым координатам ( ) обычно опреде ляется шириной диаграммы направленности антенны 0,5 по уровню половинной мощности (см. раздел 6). Для наиболее распространенных в настоящее время зер кальных антенн ширина диаграммы направленности (в радианах или градусах) мо жет быть оценена приближенными формулами:

0,5 60 о 0,5 (рад) ;

(град), (2.2) lA lA где lА –– линейный размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости.

Следовательно, при заданных максимальных размерах антенны можно обес печить требуемые ширину ДН и разрешающую способность по азимуту или углу места подбором рабочей длины волны, которая должна удовлетворять условиям:

АЗ ( ) lАЗ УМ () l УМ ;

, (2.3) 60° АЗ 60° УМ где АЗ, УМ –– коэффициенты ухудшения потенциальной разрешающей способно сти по азимуту и углу места в устройствах обработки и индикации. Для большинст ва РЛС величина АЗ, УМ составляет 1,5...2.

Вычисленное значение является максимально возможной длиной волны, обеспечивающей заданную угловую разрешающую способность.

РНОРМ DMAКС = 20 км 4 DMAКС = 40 км DMAКС = 100 км DMAКС = 200 км DMAКС = 500км 0 2 4 6 8 10 12 14, см Рисунок 2.1 –– Зависимости нормированной мощности сигнала передатчика РНОРМ, необходимой для обеспечения дальности действия DМАКС, от длины волны 2.1.3. Оценка длины волны по заданной погрешности измерения угловых ко ординат. Погрешность измерения угловых координат в обзорных РЛС оценивается по методике, изложенной в разделе 7. Потенциальная среднеквадратическая по грешность измерения угловой координаты () определяется шириной диаграммы направленности антенны по соответствующей угловой координате 0, ( ), (2.4) qСИП где qСИП –– параметр обнаружения сигнала с известными параметрами (СИП),кото рый характеризует отношение сигнал /шум. Точно параметр qСИП вычисляется по формуле (5.11) На предварительном этапе для обычных РЛС можно принять qСИП 20...30.

Учитывая (2.2) из формулы (2.4) получаем максимальное значение длины вол ны, которое обеспечивает заданную погрешность измерения угловых координат:

( ) q СИП lА (2.5) где –– коэффициент ухудшения потенциальной точности в устройствах обработ ки и индикации ( = 1,5...4).

2.1.4. Оценка длины волны с учетом маскирующего действия гидрометеоров.

Если заданием на проектирование предусмотрена работа РЛС в условиях осадков (дождь, туман и др.), то обнаружение цели возможно только при условии, что средняя ЭПР цели ЭФФ в 5.. 10 раз превышает максимальную эффективную площадь рассеяния осадков с И D МАХ АЗ УМ О УД О =, (2.6) где О УД –– удельная эффективная отражающая площадь осадков, которая зависит от рабочей длины волны (см. раздел 8).

Целесообразно построить график зависимости О (D) для заданной интенсив ности осадков и определить длину волны, при которой ЭПР цели превышает в 5…10 раз величину О. Если выбрать длину волны короче полученного значения, то максимальная дальность действия РЛС сократится и будет определяться не уравне нием дальности (2.1), а маскирующим действием гидрометеоров.

После сравнения результатов вычисления длины волны в соответствии с пп. 2.1.1…2.1.4 следует выбрать рабочую длину волны для проектируемой РЛС.

2.2. Выбор периода следования зондирующих сигналов В импульсных дальномерных РЛС период зондирующих импульсов TИ выби рается из условия однозначного измерения дальности D и должен быть больше максимально возможной задержки эхо-сигнала:

2 DМАКС TИ. (2.7) c В большинстве РЛС период следования выбирается в 2...3 раза больше рас считанного по формуле (2.7) для исключения появления на экране индикатора отра жений от крупных объектов, которые находятся на двойной дальности. Более уве личивать TИ не следует, потому что это приведет к уменьшению количества им пульсов, накапливаемых за время облучения цели (импульсов в пачке) и, как след ствие, к снижению энергии принимаемых сигналов.

В когерентных импульсных РЛС с системой селекции движущихся целей (СДЦ) применяются плавные или скачкообразные изменения периода следования зондирующих импульсов от TИ MAКС до TИ MИН. Это позволяет исключить эффект «слепых скоростей», но сохраняется требование выполнения условия (2.7.).

В РЛС с непрерывным излучением (частотная дальнометрия) период частот ной модуляции зондирующего сигнала целесообразно выбрать в 7... 15 раз больше расчетного значения (2.7).

2.3. Выбор длительности зондирующего сигнала Величина длительности зондирующего сигнала в импульсных РЛС оказывает влияние на целый ряд параметров системы.

2.3.1. Оценка длительности зондирующего импульса по разрешающей способ ности. Длительность зондирующего импульса И в некогерентных РЛС выбирается, прежде всего, исходя из требований разрешающей способности по дальности (D ) :

2 ( D ) И, (2.8) c D где D –– коэффициент ухудшения потенциальной разрешающей способности по дальности в устройствах обработки и индикации. На предварительном этапе этот коэффициент может быть принят (1,5...3).

2.3.2. Оценка длительности зондирующего импульса по заданной точности измерения дальности.

Вторым фактором, определяющим длительность зондирующего, импульса яв ляется ошибка измерения дальности (D ). Потенциальная ошибка для импульсных дальномеров оценивается по формуле:

c И ПОТ (D ) =, (2.9) 2 qСИП поэтому следует выбирать 2 (D ) qСИП И, (2.10) c D где qСИП –– параметр обнаружения СИП (5.6);

D –– коэффициент ухудшения потенциальной точности измерения при обра ботке и индикации на предварительном этапе может быть принят (2...5).

2.3.3. Оценка длительности импульса по минимальной дальности действия импульсной РЛС.

Если заданием на проектирование определена минимальная дальность дейст вия РЛС DМИН, то необходимо выбирать длительность зондирующего импульса:

2 DМИН И, (2.11) c так как прием сигналов, отраженных от целей во время излучения зондирующих импульсов, невозможен из-за замыкания входа приемника антенным переключате лем. Инерционность антенного переключателя характеризуется временем восста новления, составляющим величину, близкую к длительности импульса (0,3…2) мкс.

Не следует выбирать значение длительности зондирующего импульса менее значений, полученных по формулам (2.8, 2.10, 2.11), так как уменьшение длительно сти импульса ведет к расширению его частотного спектра, что в свою очередь тре бует увеличения полосы пропускания приемника и приводит к ухудшению отноше ния сигнал-шум.

Применение сложных сигналов большой длительности (ЛЧМ или ФМн) по зволяет за счет их сжатия обеспечить высокое разрешение (см. раздел 6).

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ РЛС На начальном этапе следует определить форму и ширину диаграммы направ ленности (ДН) антенны, соответствующие назначению РЛС и выбранному в преды дущем разделе диапазону частот. Антенны большинства радиолокационных станций имеют диаграммы направленности двух основных видов:

– иглообразные (симметричные) ДН, у которых ширина по азимуту и углу места приблизительно одинакова;

– веерные (плоские) ДН, у которых ширина по азимуту и углу места сущест венно различаются.

Иглообразные диаграммы направленности применяются для точного измере ния двух угловых координат объектов (азимута и угла места) в системах сопровож дения воздушных целей, радиоуправления, наведение ракет и орудийной наводки, а так же в системах радиолокации планет и космических объектов, доплеровских из мерителях путевой скорости и угла сноса самолета.

Веерные диаграммы направленности применяются в радиолокационных стан циях, измеряющих, как правило, одну угловую координату объекта (азимут или угол места). При этом ширина ДН по измеряемой угловой координате должна быть ма лой (обычно 0,5...2°), чтобы обеспечить высокую разрешающую способность по уг лу () и малую погрешность измерения () угловой координаты. Во второй угло вой плоскости ДН должна быть широкой и охватывать всю область возможного на хождения целей. Наземные РЛС кругового и секторного обзоров (аэродромные, бе реговые, судовые и самолетные навигационные РЛС, самолетные РЛС обзора зем ной поверхности) имеют веерные ДН с малой шириной луча по азимуту (см. рису нок 3.1, б,в), а аэродромные радиовысотомеры имеют узкую ДН в вертикальной (уг ломестной) плоскости и широкую –– в азимутальной (см. рисунок 3.1, а).

Кроме перечисленных существуют радиоэлектронные системы, в которых не требуется измерение угловых координат: геодезические радиодальномеры, самолет ные радиовысотомеры, доплеровские измерители скорости автомобилей. Диаграм мы направленности таких РЛС, как правило, симметричны, но имеют большую ши рину и по азимуту, и по углу места для обеспечения работоспособности системы в широком диапазоне углов возможного нахождения цели.

При системном проектировании необходимо определить следующие основные технические характеристики антенн.

Ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощно сти (– 3 дБ) и уровень боковых лепестков. Ширина ДН определяется заданной раз решающей способностью по угловым координатам (см. раздел 6). Минимальную ширину ДН можно приблизительно оценить по заданным максимальным габарит ным размерам антенного устройства lАЗ и lУМ и выбранной длине волны АЗ УМ (рад) ;

(рад). (3.1) lАЗ l УМ Если габаритные размеры антенны не определены заданием на проектирова ние, то следует учитывать, что в соответствии с типовыми требованиями размеры антенн судовых РЛС крупнотоннажных судов не должны превышать 3,5 метров, а малотоннажных судов –– 1,5 метра. У аэродромных РЛС управления воздушным движением максимальный раскрыв антенн достигает (4...9) метров. Самолетные РЛС обычно имеют антенны менее 1 метра, однако самолетные вдольфюзеляжные антенны РЛС бокового обзора могут иметь длину до 10…20 метров.

Выражения (3.1) справедливы для антенн, имеющих осевую симметрию при равномерном амплитудном и синфазном распределении поля в раскрыве, что позво ляет получить минимальную ширину ДН и максимальный коэффициент усиления антенны. Однако при равномерном распределении поля в раскрыве велик уровень боковых лепестков (УБЛ), что недопустимо для большинства РЛС. Прием отражен ных от целей сигналов и помех боковыми лепестками ДН вызывает ошибки при об наружении и измерении координат объектов. Так, например, для большинства граж данских РЛС кругового и секторного обзора допустим УБЛ в угломестной плоско сти (–15...–18) дБ, а в азимутальной плоскости –– (–24...–28) дБ. Для РЛС сопровож дения, а также систем селекции движущихся целей этот уровень боковых лепестков должен быть менее (–26... –34) дБ.

Снижение УБЛ можно добиться использованием распределения поля, спа дающего к краям раскрыва антенны, однако это приводит к расширение главного лепестка диаграммы направленности. В процессе проектирования разработчик дол жен обосновать требуемый уровень боковых лепестков, выбрать распределение по ля в раскрыве антенны и используя данные таблицы 3.1, оценить ширину диаграм мы направленности 0,5 и коэффициент использования поверхности антенны КИП.

Эффективная площадь антенны SЭФФ зависит от геометрической площади ан тенны SГ и коэффициента использования ее поверхности КИП.

При прямоугольном раскрыве (таблица 3.1) и различных распределениях поля по азимуту и углу места S ЭФФ = S Г K ИП l АЗ l УМ K ИП АЗ K ИП УМ. (3.2) Коэффициент направленного действия антенны GНД, показывающий во сколь ко раз плотность потока мощности в максимуме ДН предлагаемой антенны МАКС больше, чем плотность потока мощности СР ненаправленной антенны МАКС 4 S ЭФФ G НД =. (3.4) СР Коэффициент усиления антенны G по мощности более полно характеризует антенну, так как учитывает потери в ней, выраженные через коэффициент полезного действия антенны А 4 S ЭФФ А G = G НД А. (3.5) Для рупорных антенн КПД можно приблизительно принять А 0,95, для зер кальных антенн –– (0,8...0,9), а для линзовых и щелевых –– (0,75...0,85).

Завершая расчет параметров антенны, следует обосновать общие требования к ее конструкции с учетом технического задания на проектирование.

Таблица 3.1 –– Характеристики антенн с прямоугольным раскрывом 0,5, УБЛ, Амплитудное распределение поля F(x) КИП в прямоугольном раскрыве антенны размером l дБ град F(x) F(x) = 1 50,8 – 13,2 1, l –0,5 0 +0,5 x F(x) 2x F ( x) = 1 73,4 – 26,4 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) 1 2х F ( x) = 1 0,2 52,7 – 15,8 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) 1 2х F ( x) = 1 0,5 55,6 – 17,1 0, l l –0,5 0 +0,5 x F( ) F(x) 2х F ( x) = 1 65,9 – 20,6 0, l l –0,5 0 +0,5 x F( ) F(x) 2 х 2 F ( x) = 1 77,9 – 28,6 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) x F ( x) = cos 68,8 – 23,0 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) x F ( x) = cos 2 83,2 – 32 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) x F ( x) = cos 3 95,1 – 40 0, l l –0,5 0 +0,5 x F(x) x F ( x) = cos 4 110,6 – 48 0, l l –0,5 0 +0,5 x Антенны аэродромных радиовысотомеров (рисунок 3.1, а) имеют малую ши рину ДН по углу места и большую ширину –– по азимуту, что позволяет при сек торном обзоре по углу места обеспечить высокую разрешающую способность и точность измерения угла места цели.

В наземных береговых и портовых РЛС применяются антенны с веерной диа граммой направленностью (узкой по азимуту и широкой по углу места). Ориентация максимума такой ДН на линию горизонта позволяет обнаруживать и береговые и надводные объекты (см. рисунок 3.1, б). Судовые навигационные РЛС должны иметь расширенную ДН в угломестной плоскости для исключения «отрывания лу ча» от подстилающей поверхности при качке судна (см. рисунок. 3.1, в).

УМ = (0,5…1,5)° АЗ = (20…30)° УМ = (18…22)° АЗ = (0,8…1,5)° УМ = (7…12)° АЗ = (0,5…1,0)° а) б) в) Рисунок 3.1 –– Веерные диаграммы направленности:

а) –– аэродромного радиовысотомера;

б) –– береговой РЛС;

в) –– судовой РЛС Для формирования таких диаграмм направленности отношение размеров ан тенн по азимуту и углу места составляет lАЗ / lУМ = 10...30.

В настоящее время в судовых РЛС наибольшее распространение получили зеркальные антенны (рисунок 3.2 а, б), а так же щелевые линейные решетки (рису нок 3.2, в).

lУМ lУМ lАЗ lАЗ lАЗ = lУМ в) б) а) Рисунок 3.2 –– Антенны РЛС с параболическим зеркалом (а), с зеркалом типа параболический цилиндр (б) и волноводно-щелевая решетка (в) В В наземных РЛС обзора воздушного пространства (рисунок 3.3, а) и в само летных РЛС обзора земной поверхности (рисунок 3.3, б) необходимо обеспечить по стоянный уровень мощности сигналов, отраженных от целей на разных дальностях.

Для этого ДН по мощности в угломестной плоскости должна быть пропор циональна cosec2, где –– угол места цели. В азимутальной плоскости ДН должна оставаться узкой и ее ширина определяется разрешающей способностью по азимуту.

Распространенный способ получения ДН cosec2 состоит в применении зер кала, имеющего специальный профиль в вертикальной плоскости (рисунок 3.4). По лученная таким образом косеканс-квадратная диаграмма направленности может быть реализована только в ограниченном диапазоне углов места (1 –– больше 10°, а 2 –– меньше 70°).

2 а) б) Рисунок 3.3 –– Косеканская ДН антенн наземной (а) и самолетной (б) РЛС Размер раскрыва антенны в угломестной плоскости lУМ при этом должен быть не менее (15...20), что проводит к увеличению площади раскрыва и следует ожи дать пропорционального возрастания КНД. Однако антенна с косекансной ДН имеет несколько меньший КНД, чем антенна с обычной симметричной диаграммой на 1 правленности, получаемой при той же площади апертуры. Относительное уменьшение КНД приближенно оценива ется формулой:

GНД cosec GНД 0 = 2 1 ctg 2, (3.6) F и при больших значениях (2 – 1) энерге тический выигрыш от использования ко секансной ДН снижается до 3 дБ.

Самолетные радиовысотомеры из меряют только одну координату: даль Рисунок 3.4 –– Профиль зеркала антенны с ДН cosec ность до подстилающей поверхности.

Антенны радиовысотомеров должны иметь симметричные ДН с достаточно большой шириной до (40...50) градусов для исключения влияния крена и тангажа самолета. Поэтому в этих РЛС применяют вибраторные и рупорные антенны, а также простые волноводно-щелевые синфазные решетки.

Для формирования иглообразного луча в РЛС точного измерения двух угло вых координат в большинстве случаев используются параболические зеркальные антенны и фазированные антенные решетки. Как правило, эти антенны имеют узкие диаграммы направленности (0,5...2,0) градуса и большие геометрические размеры (до 5 метров), что затрудняет их быстрый поворот в пространстве. Поэтому в систе мах конического, спирального и строчного обзора, а так же в системах автоматиче ского сопровождения по угловым координатам, наряду с медленным поворотом зер кала антенны применяют смещение облучателя относительно точки фокуса зеркала для быстрого перемещения (сканирования) ДН.

При коническом сканировании облучатель описывает окружность в фокаль ной плоскости зеркала (рисунок 3.5, а). При линейном сканировании облучатель смещается в фокальной плоскости зеркала из точки фокуса c сохранением постоян ного фокусного расстояния F по прямой линии, например, «вверх-вниз» или «впра во-влево» (рисунок 3.5, б).

GНД GНД0 F/lA=0, 0, lA lA 0, F/lA=0, 0, F/lA=0, F F 0, 0 2 4 6 СМ/ а) б) в) Рисунок 3.5 –– Зеркальные антенны: а) –– с коническим сканированием ДН;

б) –– линейным сканированием ДН;

в) –– зависимости относительного КНД антенны от смещения оси ДН по отношению к её ширине.

Для повышения надежности и уменьшения числа подвижных деталей приме няют установку нескольких фиксированных облучателей (рисунок 3.5, б). Эти облу чатели либо поочередно подключаются на вход одного канала приемника (последо вательный однолучевой обзор), либо подключаются параллельно на несколько неза висимых каналов многоканального приемника. Во втором случае одновременно об рабатываются сигналы антенны с многолепестковой ДН (параллельный многолуче вой обзор).

При расчете следует учитывать, что смещение облучателя из точки фокуса, особенно для короткофокусных зеркал, приводит к расширению ДН, уменьшению КНД антенны, возрастанию уровня боковых лепестков, поэтому диапазон сканиро вания у параболических антенн не превышает обычно (4...6). На рисунке 3.5,в при водятся зависимости снижения КНД антенн от относительного смещения ДН СМ.

Для широкоугольного сканирования (до 120°) со смещением облучателя применяют сферические зеркала.

Сканирование ДН наиболее эффективно может быть реализовано при исполь зовании фазированных антенных решеток (ФАР) с частотным или фазовым управ лением. Антенные системы этого типа позволяют производить быстрое перемеще ние луча антенны по произвольному закону и вести одновременное сопровождение по угловым координатам десятков целей.

Этот вид антенн является самым перспективным, однако, конструкторско технологические трудности создания ФАР, большое количество коммутируемых и коммутирующих элементов, сложность управления ими и высокая стоимость дела ют проблематичным широкое использование ФАР в настоящее время в гражданских РЛС общего назначения.

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА Радиолокационный обзор заключается в разделении всего диапазона возмож ного нахождения цели по дальности, азимуту и углу места на отдельные интервалы (элементы разрешения) и в проверке наличия цели в каждом из этих интервалов.

Количество элементов разрешения, на которые разбивается весь диапазон обзора, равно m. В РТС применяют следующие виды обзора:

– параллельный (одновременный) обзор, при котором обработку сигналов производят одновременно во всех m элементах разрешения. Этот вид обзора харак теризуется высоким быстродействием, но значительным усложнением аппаратуры, так как обработка сигналов должна производиться одновременно в m параллельных приемных каналах;

– последовательный обзор, при котором все элементы разрешения просматри ваются поочередно одноканальной схемой анализа. Простота аппаратурной реали зации в этом случае приводит к возрастанию в m раз времени обзора.

Станции обнаружения (обзорные РЛС) работают только в режиме последова тельного обзора, при этом производится не только обнаружение объектов, но и из мерение их координат. Станции точного измерения координат (РЛС сопровожде ния) производят предварительный обзор пространства, и после обнаружения целей переводятся из режима обзора в режим точного измерения координат целей (режим сопровождения).

АЗ УМ АЗ УМ РЛС D МИН D МАКС Рисунок 4.1 –– Зона обзора РЛС Радиолокационный обзор может производиться по дальности, азимуту, углу места и радиальной скорости. В зависимости от назначения проектируемая РЛС должна производить обзор по двум, трем или всем четырем перечисленным пара метрам.

Зоной пространственного обзора РЛС называется область пространства, в ко торой производится обнаружение и измерение координат целей. Зона обзора РЛС, изображенная на рисунке 4.1, характеризуется:

– минимальной дальностью D МИН;

– максимальной дальностью D МАКС;

– угловыми размерами зоны обзора по азимуту АЗ;

– угловыми размерами зоны обзора по углу места УМ.

4.1. Основные соотношения для последовательного обзора Процедура обзора пространства представляет собой просмотр всех простран ственных участков зоны обзора (элементов разрешения) и принятие решения о на личии целей в каждом из этих элементов и в зоне обзора в целом.

В некогерентных импульсных РЛС количество элементов разрешения по дальности mD при известном элементе разрешения (D ) = c И 2 оценивается как 2 (DМАКС DМИН ) mD =. (4.1) c И При зоне обзора, близкой по форме к изображенной на рисунке 4.1, мини мальное количество элементов разрешения по угловым координатам будет опреде ляться отношением ширины зоны обзора Ф к ширине диаграммы направленности АЗ УМ mАЗ = mУМ =,, (4.2) АЗ УМ а общее количество элементов разрешения для такой зоны обзора равно:

m = mD mАЗ mУМ. (4.3) Обзор по дальности осуществляется последовательно, со скоростью распро странения электромагнитных волн с 3·10 8 м/с и время обзора по дальности опре деляется максимальной задержкой сигнала, отраженного от цели t МАКС = 2 D МАКС c, находящейся на максимальной дальности DМАКС. Условия однозначного измерения дальности требует, чтобы период посылки зондирующих импульсов ТИ был больше, чем максимальная задержка отраженного сигнала t МАКС (см. раздел 2.2).

Минимальная дальность импульсных РЛС определяется длительностью зон дирующего импульса и инерционностью антенного переключателя РЛС, так как прием сигналов, отраженных от близкорасположенных целей, не возможен, пока ан тенна РЛС подключена к выходу передатчика. В РЛС с непрерывным излучением (при частотном или фазовом методах измерения дальности) минимальная дальность значительно меньше и определяется, в зависимости от метода, чувствительностью частотомера или фазометра подключенного к выходу приемника.

Обзор по угловым координатам осуществляется в большинстве случаев по следовательно, путем перемещения (сканирования) антенны с шириной ДН АЗ, УМ по всем участкам зоны обзора АЗ, УМ.

Общее время, требуемое дня однократного просмотра всех участков зоны об зора называется периодом обзора ТОБЗ. При проектировании РЛС заказчик обычно стремится к уменьшению периода обзора, так как именно через этот временной ин тервал происходит обновление информации на индикаторе обзорной РЛС. При ра диолокационном наблюдении медленно движущихся целей на больших дальностях максимальный ТОБЗ может достигать нескольких десятков секунд, а при наблюдении самолетов, особенно на малых дальностях –– составляет единицы секунд.

Вторым важным параметром последовательного обзора является время облу чения цели ТОБЛ, которое оценивается, как временной интервал, в течение которого при последовательном обзоре точечная неподвижная цель находится в пределах главного лепестка ДН антенны РЛС. Очевидно, что чем меньше ширина диаграммы направленности антенны и больше угловая скорость А вращения антенны, тем меньше время облучения:

Т ОБЛ =. (4.4) А Разработчики стремятся к увеличению Т ОБЛ, в течении которого цель нахо дится в луче антенны, и происходит накопление энергии сигналов, отраженных от цели, что улучшает отношение сигнал-шум и качественные показатели обнаружите ля. В импульсных обзорных РЛС за время облучения должно быть принято не менее (7...10) импульсов, отраженных от сосредоточенной неподвижной цели, поэтому Т ОБЛ (7...10 ) Т И. В реальных РЛС число накапливаемых импульсов в пачке может быть больше на порядок.

Так как в каждом из m элементов углового разрешения (4.2) луч антенны дол жен находиться в течении Т ОБЛ, то полный период последовательного обзора Т ОБЗ может быть определен по следующей формуле Т ОБЗ = mАЗ mУМ Т ОБЛ = УМ АЗ Т ОБЛ. (4.5) УМ АЗ Выражение (4.5) показывает невозможность увеличения Т ОБЛ при уменьшении Т ОБЗ и справедливо для всех видов последовательного обзора пространства при по стоянной угловой скорости вращения антенны А.

В реальных условиях из-за непостоянной А при сложных законах перемеще ния луча период обзора может больше рассчитанного по формуле (4.5) в несколько раз. Рассмотрим наиболее распространенные виды обзора.

4.2. Круговой и секторный обзоры пространства При круговом обзоре в РЛС производится измерения только азимута и даль ности цели (рисунок 4.2,а) при постоянном вращении антенны на 360°. Антенна РЛС кругового обзора имеет узкую ДН по азимуту для обеспечения заданной угло вой разрешающей способности. В угломестной плоскости ширина ДН должна соот ветствовать ширине сектора обзора по углу места: УМ = УМ. После подстановки этого условия в формулу (4.5) она принимает вид:

360° Т ОБЗ = Т ОБЛ. (4.6) АЗ АЗ УМ = УМ УМ = УМ а) б) Рисунок 4.2 –– Круговой (а) и секторный (б) обзоры пространства Отличие секторного обзора пространства (рисунок 4.2,б) заключается в том, что зона обзора по азимуту ограничена углом АЗ, а период обзора равен:

АЗ Т ОБЗ = Т ОБЛ. (4.7) АЗ Это выражение справедливо при постоянной угловой скорости поворота ан тенны А, а время облучения определяется соотношением (4.4). Однако при сектор ном обзоре в большинстве случаев А не постоянна. Антенна из крайнего положе ния начинает двигаться с ускорением, в центре зоны обзора А максимальна, а затем происходит торможение антенны и наконец полная остановка, после чего начинает ся движение в обратную сторону. При таком гармоническом законе «качания луча»

антенны минимальное время облучения цели, находящейся в центре зоны обзора, составит:

Т ОБЛ = = АЗ Т ОБЗ. (4.8) А МАКС АЗ Для увеличения Т ОБЛ и сохранения постоянной скорости движения луча при меняют круговое вращение антенны, а излучение передатчика включают только в пределах сектора АЗ. Иногда применяют несколько антенн, установленных на од ной оси и развернутых в разные стороны. При постоянной скорости вращения такой конструкции антенны по очереди подключаются к приемопередатчику.

4.3. Винтовой и строчный обзоры пространства Эти виды обзора применяются в РЛС обнаружения и измерения двух угловых координат объекта (азимута и угла места), поэтому для обзора обычно используется иглообразная ДН антенны (см. раздел 3).

АЗ УМ УМ а) б) Рисунок 4.3 –– Спиральный (а) и секторный (б) обзор иглообразным лучом В процессе обзора вся зона обзора с шагом разбивается на витки или строки, количество которых составляет z = УМ.

Для исключения пропуска целей между строками шаг луча должен быть меньше ширины ДН: = (0,7…0,8) УМ. Время прохождения одной строки ТСТР оп ределяется угловой скоростью поворота антенны по азимуту АЗ и шириной зоны обзора АЗ Т СТР = АЗ АЗ, (4.9) а полный период обзора в соответствии с (4.6) составит:

АЗ УМ Т ОБЛ Т ОБЗ = z TСТР. (4.10) АЗ УМ Оценка ТОБЛ производится по формулам (4.4), (4.5) и (4.8).

Особенностью винтового и строчного обзоров является перемещения ДН ан тенны в двух взаимно ортогональных направлениях с разными угловыми скоростя ми: АЗ УМ (рисунок 4.1). Время облучения цели и количество отраженных им пульсов в пачке определяются большей скоростью АЗ, которая может достигать со тен градусов в секунду. Обеспечить при строчном обзоре такую высокую угловую скорость поворота зеркала антенны, при ее больших массе и габаритах, затрудни тельно. Поэтому на практике быстрое сканирование в небольших пределах осущест вляют путем смещения облучателя (рисунок 3.5, б), а медленный поворот в широ ком диапазоне углов –– путем поворота зеркала антенны.

4.4. Спиральный обзор пространства Спиральный обзор получил распространение в самолетных РЛС обзора воз душного пространства и заключается в движении луча антенны по образующей ко нуса с плавным изменением угла при его вершине (рисунок 4.4,а). При каждом но вом обороте луч антенны смещается на угол = (0,7…0,8) А (шаг луча), при этом количество витков спирали z = 2. В большинстве случаев смещение иглообраз ного луча осуществляется путем вращения облучателя вокруг фокуса зеркала (рису нок 3.5, а) с постоянным периодом ТВР. Тогда Т ВР Т ОБЗ = z Т ВР. (4.11) Особенностью спирального обзора при постоянном периоде вращения облу чателя ТВР является изменение пространственной скорости движения луча вдоль витка спирали ПРОСТР = 2 sin Т ВР, а, следовательно, и изменение времени облу чения цели ТОБЛ в зависимости от того, в какой области зоны обзора цель находится.

А А Т ВР Т ОБЛ = =. (4.12) ПРОСТР 2 sin Когда цель находится на краю зоны обзора, а угол отклонения оси диаграммы направленности антенны от оси зоны обзора велик ( 2 ), пространственная скорость перемещения луча велика и время облучения цели минимально. По мере приближения цели к центру зоны обзора время облучения и количество накапли ваемых импульсов в пачке возрастают. При этом повышается вероятность обнару жения цели.

При проектировании необходимо чтобы условие накопления не менее 10 им пульсов в пачке выполнялось при половинном угле отклонения оси ДН антенны, тоесть не менее 4.

Если заданием на проектирование предусмотрена несимметричная зона обзора ( АЗ УМ ), то целесообразно выбирать диаграмму направленности пропорцио нальных размеров ( УМ АЗ = УМ АЗ ), с целью сохранения постоянного относи тельного шага луча. В этом случае диаграмма в плоскости вращения будет описы вать не архимедову (круговую), а эллиптическую спираль. Выражения (4.11) и (4.12) справедливы и в этом случае.

А б) а) Рисунок 4.4 –– Спиральный обзор (а) и коническое сканирование ДН (б) 4.5. Коническое сканирование Коническое сканирование ДН антенны широко применяется в системах авто матического сопровождения по угловым координатам и представляет собой пере мещение иглообразной симметричной ДН антенны по образующей конуса (рисунок 3.4,б).

Угол отклонения оси диаграммы направленности от оси вращения постоя нен и не превышает 0,5 А, поэтому время облучения одиночной неподвижной цели, находящейся в центральной области сектора обзора, стремится к бесконечности. Так как конический обзор осуществляется за один оборот диаграммы направленности антенны, то период обзора равен периоду вращения облучателя ТВР, который в ре альных системах составляет (0,1...0,05) секунд.

4.6. Обзор земной поверхности при картографировании Самолетные РЛС обзора земной поверхности используются для навигации и картографирования, ледовой и радиотехнической разведки и др. В процессе обзора на экране индикатора такой РЛС отображается радиолокационная карта местности (см. рисунок 1.6, б).

Круговой и секторный обзор в самолетных РЛС. При круговом или секторном обзорах земной поверхности РЛС, установленная на самолете, осуществляет обзор за счет поворота антенны и перемещения ДН (рисунок 4.5, а).

Параметры таких видов обзора пространства рассчитываются в соответствии с формулами (4.6, 4.7, 4.8).

Как правило, размер поворотной антенны такой самолетной РЛС, располо женной под радиопрозрачным обтекателем в носовой части самолета, не превышает (1…1,5) метра. Поэтому ДН такой антенны имеет достаточно большую ширину, а РЛС не может обеспечить высокую разрешающую способность по угловым коорди натам.

Боковой обзор пространства. Антенны таких РЛС неподвижно зафиксированы с двух сторон вдоль фюзеляжа самолета и перемещаются в пространстве вместе с носителем-самолетом (рисунок 4.5, б).

Длина такой антенны может быть увеличена до размеров, соизмеримых с фю зеляжем –– до (10…30) метров. Такая антенна создает узкую ДН (в доли градусов) в горизонтальной плоскости, и широкую — в вертикальной. Поэтому в горизонталь ной плоскости вдоль направления полета достигается весьма высокая разрешающая способность. При прямолинейном полете узкая ДН антенны формируется в направ лении, перпендикулярном траектории движения самолета.

Вследствие поступательного перемещения антенного луча с путевой скоро стью VПУТ движения самолета имеется возможность осуществлять обзор местности в полосе, ширина которой определяется дальностью действия РЛС. На индикаторе при этом в прямоугольной системе координат формируется радиолокационное изо бражение полосы местности, параллельной траектории полета самолета.

VПУТ VПУТ а) б) Рисунок 4.5 –– Обзор земной поверхности методами: а) кругового обзора;

б) бокового обзора с вдольфюзеляжной антенной Время облучения точечной цели при достаточно низкой путевой скорости VПУТ носителя велико и зависит от дальности объекта АЗ D Т ОБЛ =, (4.14) VПУТ Количество импульсов, отраженных от цели за время облучения, так же про порционально дальности D до объекта.

Особенностями бокового обзора являются невозможность просмотра полосы местности под самолетом и ухудшение линейного разрешения пропорционально увеличению боковой дальности от самолета.

Для повышения разрешения в РЛС бокового обзора применяется метод синте зированных антенн, которому посвящено значительное число литературных источ ников [4,13,14].

5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА Радиоприемные устройства некогерентных РЛС в большинстве выполняются по структурной схеме изображенной на рисунке 1.3.

5.1. Расчет пороговой мощности приемника Условием нормальной работы радиоэлектронной системы с заданными веро ятностями обнаружения сигнала на фоне помехи является обеспечение превышения уровня сигнала над уровнем шума на выходе приемника.

Это превышение мощности сигнала РВХ ПР над мощностью шума РШ ПР, пере считанное ко входу оптимального приемника радиосистемы, характеризуется коэф фициентом различимости kP РВХ ПР q kР = =, (5.1) РШ ПР 2 nИ где q –– параметр обнаружения одиночного импульсного сигнала;

nИ –– количество накапливаемых импульсов в пачке;

–– суммарные потери в приемном тракте.

Параметр обнаружения q рассчитывается по формулам (5.11, 5.12, 5.13) и ко личественно описывается отношением удвоенной энергии сигнала ЕС к спектраль ной плотности шума N q 2 = 2 EC N 0. (5.2) При накоплении последовательности из nИ импульсов энергия принимаемого сигнала увеличивается в nИ раз. Количество импульсов в пачке nИ определяется на основании (4.4) как отношение времени облучения цели ТОБЛ к периоду следования ТИ зондирующих импульсов n И = TОБЛ TИ. (5.3) Потери при обработке принимаемых сигналов в реальном приемном тракте приводят к ухудшению отношения сигнал-шум и для того, чтобы обеспечить задан ные вероятности правильного обнаружения РПО и ложной тревоги РЛТ, необходимо на входе приемника обеспечить отношение сигнал-шум больше в раз. При обработке в Х последовательных каскадах приемника (УРЧ, УПЧ, видеоусилитель, детектор и т.п.) суммарные потери тракта равны Х = i. (5.4) i = Таким образом, минимальную пороговую мощность сигнала РПР МИН, посту пающую на вход приемника и достаточную для обеспечения заданных вероятностей правильного обнаружения РПО и ложной тревоги РЛТ, можно определить как Р ПР МИН = Р Ш ПР k Р, (5.5) а для её вычисления необходимо рассчитать мощность шума на входе радиоприем ного устройства РШ ПР и коэффициент различимости kP.

5.2. Расчет мощности шума радиоприемного устройства Мощность шума, приведенная ко входу приемника, оценивается известной формулой РШ ПР = N 0 FПР = k TШ FПР, (5.6) где N 0 = k TШ –– спектральная плотность (энергия) шума на входе приемника;

k –– постоянная Больцмана (1,38·10-23 Вт·с/К);

ТШ –– шумовая температура приемной системы;

FПР –– ширина полосы пропускания приемника РЛС.

Шумовая температура приемной системы ТШ при использовании радиоприем ника, содержащего несколько последовательных каскадов, может быть рассчитана как mT Т Ш = Т ША + Шi, (5.7) i =1 k У i где ТША –– шумовая температура антенны;

ТШ i –– шумовая температура i-ro каскада (УРЧ, смеситель, УПЧ и т.п.) kУi –– коэффициент усиления i-ro каскада приемника.

Анализ формулы (5.7) показывает, что существенное влияние на общую шу мовую температуру системы оказывают только входные каскады приемника, а, сле довательно, для оценки ТШ можно воспользоваться упрощенной формулой Т Ш = Т ША + Т Ш РПУ = Т ША + Т РПУ (k Ш РПУ 1), (5.8) где ТШ РПУ –– шумовая температура входных каскадов РПУ;

ТРПУ –– абсолютная температура входного каскада приемника;

k Ш РПУ –– коэффициент шума входного каскада приемника.

Зависимости шумовой температуры идеализированной антенны ТША пред ставлены на рисунке 5.1. Эти графические зависимости соответствуют случаю, ко гда идеализированная антенна имеет очень узкую диаграмму направленности и не учитывается влияние теплового излучения посторонних источников (поверхности Земли, осадки и т.п.). Антенны реальных радиолокационные систем имеют относи тельно широкие ДН и их шумовая температура ТША составляет около 300 К.

Входные каскады радиоприемников обзорных РЛС, как правило, не содержат систем искусственного охлаждения и их шумовая температура ТШ РПУ может быть принята (290…300) К. Значения средних коэффициентов шума kШ РПУ наиболее рас пространенных неохлаждаемых входных устройств радиолокационных приемников приведены на рисунке 5.2.

При проектировании РПУ следует учитывать ряд дополнительных требова ний, важнейшим из которых является широкий динамический диапазон приемника, необходимый для исключения его перегрузки при выделении сигнала на фоне поме хи. Именно это требование обусловило широкое распространение диодных баланс ных смесителей, динамический диапазон которых на 15 дБ шире, чем у ЛБВ и на дБ превосходит показатели параметрического усилителя и усилителя на туннельном диоде.

ТША, К = 0° = 5° 40 = 10° = 30° 10 = 90° 40 f, ГГц 1 2 4 6 8 10 Рисунок 5.1 –– Зависимость шумовой температуры ТША идеализированной антенны от угла наклона оси диаграммы направленности к поверхности Земли kШ РПУ Балансный смеситель Усилитель на туннельном 4 диоде Усилитель на ЛБВ Параметрический усилитель 40 f, ГГц 1 2 4 6 8 10 Рисунок 5.2 –– Зависимость коэффициента шума КШ РПУ от частоты f различных видов входных устройств радиолокационных радиоприемников Для максимизации отношения сигнал-шум амплитудно-частотная характери стика оптимального обнаружителя импульсных сигналов на фоне гауссова белого шума должна повторять по форме амплитудный спектр сигнала, а полоса пропуска ния приемника FРПУ должна быть равна ширине спектра сигнала fC.

Для приблизительной оценки при системном расчете на данном этапе целесо образно принять f С FРПУ. (5.9) И После подстановки значений FРПУ и ТШ в формулу (5.6) должны быть опре делены спектральная плотность шума N0 и мощность шума PШ ПР, приведенные ко входу приемника РЛС.

5.3. Расчет коэффициента различимости 5.3.1. Расчет параметра обнаружения Для оценки требуемого превышения уровня сигнала над уровнем шума в ра диосистеме принято использовать параметр обнаружения q, равный отношению сигнал-шум по напряжению на входе оптимального приемника, согласованного с обнаруживаемым сигналом. Количественно параметр обнаружения q равен:

2 EС q=, (5.10) N где ЕС –– энергия одиночного сигнала на входе приемника;

N0 –– спектральная плотность шума.

Примечание. При расчетах следует обратить внимание, что в некоторых учебных и справочных пособия, например [5,8], под параметром обнаружения q по нимается отношение сигнал-шум по мощности на выходе согласованного фильтра, равное 2ЕС /N0. При пользовании этими пособиями необходимо ввести корректи ровку в значения таблиц и справочных графиков, приведенных в этих источниках.

Оценка параметра обнаружения q по заданным вероятностям правильного об наружения РПО и ложной тревоги РЛТ может производиться по графическим или аналитическим зависимостям для следующих моделей сигналов:

–– для сигнала с полностью известными параметрами (СИП) параметр обна ружения qСИП может быть определен при значениях РПО 0,9 и РЛТ 0,1 по аппрок симирующей формуле:

1 q СИП = 2 ln 1,4.

1,4 + ln (5.11) 1 РПО Р ЛТ Эта модель сигнала, как правило, не соответствует реальным условиям обнаруже ния, но при проектировании следует определить параметр обнаружения для СИП, так как его значение потребуется для оценки потенциальной ошибки измерения ко ординат объектов (раздел 7);

–– для сигнала с неизвестной начальной фазой (СНФ) оптимальная обработка производится амплитудным обнаружителем, который обеспечивает максимальное отношение пикового значения напряжения сигнала к среднеквадратическому значе нию напряжения шума. Параметр обнаружения qСНФ определяется по формуле:

1 q СНФ = 2 1,4 ;

+ ln ln (5.12) 1 Р ПО Р ЛТ –– сигнал с неизвестной начальной фазой и флуктуирующей амплитудой (СНФА) является моделью, наиболее соответствующей реальным условиям, когда закон распределения начальной фазы сигнала равномерный в пределах от 0 до 2, а распределение амплитуды подчинено закону Релея. Параметр обнаружения qСНФА определяется средним значением энергии сигнала и находится по графикам (рису нок 5.2) или формуле (5.13):

ln ( 1 РЛТ ) qСНФА = 2 1. (5.13) ln ( 1 РПО ) 0, РПО 0, РЛТ =10- 0, 0, 0, 0, 0, РЛТ =10-2 РЛТ =10- 0, 0, 0, 0, РЛТ =10- 0, 0, 0, 60 80 100 qСНФА 2 4 6 8 10 20 Рисунок 5.3 –– Характеристики обнаружения сигнала со случайной фазой и флуктуирующей амплитудой В реальных условиях работы обзорных РЛС неизвестными параметрами обна руживаемого сигнала обычно являются его временное положение (дальность до це ли), точное значение частоты (радиальная скорость цели), направление прихода ра диоволн (угловые координаты цели). Каждый из перечисленных параметров может принимать любое из m значений в пределах заданного диапазона. Упрощенно число возможных положений импульсного сигнала по дальности mD можно оценить, если весь диапазон дальностей РЛС разделить на величину элемента разрешения по дальности (см. раздел 4.1) 2 (DМАКС DМИН ) mD = ;

(5.14) с И –– число возможных положений m по угловым координатам:

m = УМ АЗ ;

(5.15) УМ АЗ –– число возможных положений mf по частоте получим после деления диапазона возможного доплеровского смещения частоты сигнала на ширину его спектра FD МАКС FD МИН mf =. (5.16) f C В некогерентных обзорных РЛС при определении общего числа возможных положений обнаруживаемого сигнала можно ограничиться только дальностью и уг ловыми координатами, тогда m = m D m. Наличие этой неопределенности приведет к увеличению вероятности ложной тревоги при обнаружении одиночной цели в m раз, так как выброс напряжения шума может с равной вероятностью оказаться на любой из m позиции. Поэтому для нахождения параметра обнаружения q при неиз вестном положении цели следует вместо заданного техническим заданием значения РЛТ в формулах (5.11, 5.12, 5.13) подставлять РЛТ m.

При использовании М периодов обзора для обнаружения цели результирую щая вероятность правильного обнаружения РПО возрастает по биноминальному за кону:

РПО = 1 (1 РПО ), М (5.19) где РПО –– вероятность правильного обнаружения при однократном облучении цели.

На рисунке 5. представлены зависимо РПО 0, 0,998 сти нарастания вероят ности правильного об 0, наружения РПО при на М= коплении М периодов 0, обзора.

0, Если заданием на М= 0,96 проектирование преду М=2 смотрено обеспечитъ 0, РПО за М периодов об М= 0,8 зора, то следует по фор муле (5.19) или графи 0, РПО кам (рисунок 5.4) найти 0,5 0,6 0,7 0,8 0, значение РПО = РПО, ко Рисунок 5.4 –– Зависимости нарастания торое подставить в фор вероятности правильного обнаружения РПО при накоплении М периодов обзора мулы (5.11, 5.12, 5.13).

5.3.2. Расчет потерь при обработке сигнала Результаты расчета параметра обнаружения q, полученные в предыдущем раз деле, соответствуют процедуре оптимальной обработки сигналов в приемнике. Од нако в большинстве каскадов приемного тракта имеет место уменьшение отношения сигнал-шум на выходе по сравнению с его значением на входе. Если приемник со держит X последовательных каскадов усиления и обработки сигнала, то суммарные потери в приемном тракте оцениваются по формуле (5.4).

Рассмотрим основные виды потерь в приемном тракте РЛС:

a) потери в антенне А обусловлены тем, что при перемещении луча относи тельно цели принимаемая последовательность отраженных импульсов модулируется по амплитуде в соответствии с формой ДН антенны. В режиме последовательного обзора для типичной формы ДН коэффициент потерь А 1,5, а для систем автосо провождения по угловым координатам можно принять А 1,3.

б) потери в высокочастотном тракте ВЧ вызываются затуханием энергии сиг налов в фидерах (волноводах, ответвителях, циркуляторах, вентилях, антенных пе реключателях и др.). Для снижения этих потерь стремятся уменьшить длину фидер ного тракта и упростить его конструкцию. Поэтому во многих РЛС смеситель, гете родин и предварительный УПЧ размещается в антенном блоке. Кроме того, следует учитывать, что потери в фидерах и волноводах существенно возрастают с укороче нием длины волны. Например, удельное затухание в стандартном прямоугольном волноводе на длине волны 10 см составляет около 0,03дБ/м, при = 3 см –– 0,3 дБ/м, а при = 0,8 см –– 0,6 дБ/м. Для приблизительной оценки можно принять потери в простом ВЧ тракте некогерентных РЛС ВЧ 1,6…1,8.

в) потери при фильтрации сигналов в приемнике, обусловленные несогласо ванностью частотной характеристики фильтра со спектром принимаемого сигнала, можно разделить на три вида :

–– потери Ф, вызванные неоптимальностью формы амплитудно частотной характеристики фильтра (АЧХ). Из теории обнаружения [1,2,3] из вестно, что наиболее эффективным фильтром для выделения сигнала на фоне белого гауссова шума является согласованный фильтр, частотная характери стика которого есть функция, комплексно-сопряженная со спектром излу ченного сигнала. На практике с целью упрощения аппаратуры и улучшения фильтрации помех других видов используют приближенное соответствие этому правилу. Таблица 5.1 [10] иллюстрирует потери, возникающие в ре зультате использования в тракте УПЧ фильтров с различными приближения ми АЧХ к АЧХ согласованного фильтра.



Pages:   || 2 |
 


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.