Реферат: Радиолокационная станция обнаружения воздушных целей

Министерство Образования Украины

/>

ОдесскийГосударственный Политехнический Университет

Институт Радиотехники и Телекоммуникаций

Кафедра РТС

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА

к курсовомупроекту по дисциплине

"Основытеории радиотехнических систем"

на тему

«Радиолокационнаястанция  обнаружения воздушных целей»

Вариант № 16

                         Выполнил

                                                                                                           студент группы РС-971

                                                                                             МамлюкВ.В.

                                                                                                             "____" __________ 2002 г.

                                                                                     Проверил:

                                                                                                  Часовой А. Н.

                                                                                                             "____" __________ 2002 г.

Одесса 2002

Наверно, в этом курсовике ошибки есть(мягко говоря), так как сдал я его на шару, но с учетом практически полного отсутствиянормальной студентческой информации по радиолокации в Интернете, он простоочень нужный…

СОДЕРЖАНИЕ

1. Расчет техническихпараметров РЛС

2. Выбор и расчетпараметров зондирующего сигнала

3. Структурная схемаРЛС

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Список литературы

РЕФЕРАТ

Радиолокационные системы имеют следующиепреимущества перед визуальными: работа РЛС не зависит от наличия оптическойвидимости и эффективна не только в дневные, но и в ночные часы, в тумане, придолжде и снегопаде. Они обеспечивают большую дальность действия и точностьизмерения координат цели.

В данном курсовом проекте проведен расчет РЛСкругового обзора, предназначенной для обнаружения воздушных целей. Данная РЛСможет использоваться, например, в аэропортах и подобных учреждениях.Проектируемая РЛС является совмещенной, т.е. использует одну антенну для приемаи передачи сигналов.

При проектировании был использован критерийминимальной стоимости РЛС, в основу которого положен принцип минимизации общейсуммы стоимости антенны и передатчика, при заданных характеристикахобнаружения. Для выполнения этого проекта использована программа,разработаннная на кафедре РТС Одесского Государственного ПолитехническогоУниверситета, при помощи которой проводится оптимизация параметров РЛС дляобеспечения требуемого критерия минимума стоимости.

В качестве объекта проектирования выбранагипотетическая когерентно-импульсная РЛС с аппаратурой селекции движущихсяцелей.

1. РАСЧЕТ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЛС

Расчет ширины спектра зондирующего сигнала:

/> ,                                       (1.1)

где/> - релеевская разрешающаяспособность по дальности

Выбор времени обзора из условия:

/>,                                            (1.2)

где/> - верхняя граница спектратраектории движения цели

Расчет периода (частоты) повторения импульсовпередатчика из условия однозначного измерения дальности:

/>                                                         (1.3)

где/> - максимальная дальностьоднозначного измерения.

     />-максимальная дальностьобнаружения с учетом затухания.

/>;

/>.

Расчет количества импульсов (число импульсов впакете), поступающих на вход приёмника РЛС за время облучения цели /> в режиме кругового обзора:

/>,                                                      (1.4)

где/> - время облучения цели:

/>                                              (1.5)

где/> — ширина диаграммынаправленности в азимутальной плоскости на уровне половинной мощности (/> — релеевская разрешающаяспособность по азимуту)

/>;

/>.

Расчет коэффициента различимости для модели сигнала сослучайной фазой и флюктуирующей амплитудой:

/>                                                   (1.6)

где/> - отношение сигнал/шум,рассчитываем по формуле:

/> ,                                               (1.7)

где/> — вероятность правильногообнаружения; /> — вероятность ложной тревогидля одного элемента разрешения зоны обзора.

/>                                                     (1.8)

/> ,                                        (1.9)

гдеm — число элементов разрешения в зоне обзора, равноепроизведению числа элементов разрешения по дальности m1 и по азимуту m2.

/>;

/>;

/>;

/>.

Определение коэффициента потерь aдет принекогерентной обработке:

Для рассчитанной вероятности ложной тревоги для одногоэлемента разрешения и рассчитанного количества импульсов определяем параметр /> из уравнения:

/>,                                               (1.10)

Расчет проведенный на компьютере, показал />.

Находим требуемое отношение сигнал/шум для одногоимпульса при некогерентной обработке />изуравнения:

/>.                                (1.11)

Согласнозаданию Pпо= 0,94.Подберем q2нек1 для обеспечения Pпо при y0=37,9587.

                              q2нек1=<sub/>70 ® Рпо = 0,938

                                               q2нек1 =75 ® Рпо = 0,942

                                               q2нек1 =72 ® Рпо = 0,94

        Так как по определению aдет характеризуетэнергетические потери имеющее место при переходе от когерентной к некогерентнойобработке,  а  отношение    сигнал / шум в одном импульсе при когерентнойобработке /> равно:

                                                       />,                                   (1.12)

гдеq2рассчитано по формуле (1.7), то

                                       />.                                 (1.13)

       Определяем коэффициент потерь в системе L, невключенный в другие параметры уравнениядальности:

                                                                      L = 10 дБ

       Рассчитаем коэффициент усиления антенны с плоской диаграммой направленности G,ширина главного лепестка диаграммы направленности которой в азимутальной плоскостина уровне 0,5 по мощности равна a0,5, а в вертикальной плоскости — Db.                                                                                 

        Коэффициент усиления параболической антенны с плоским лучом рассчитывается поформуле:

                                            />,                                       (1.14)

гдеb0 — уголместа, соответствующий максимальной дальности обнаружения :

                                           />°,                                  (1.15)

тогда:

                                                            />.

        Коэффициент усиления косеканс – квадратной антенны, с той же апертурой, как упараболической для заданных параметров зоны обзора меньше чем величина, рассчитаннаяпо (1.14):

                                  />.               (1.16)

       

Расчитаемспектральную плотность шума N0:         

         С этой целью следует выбрать тип активного элемента входного устройства супергетеродинногоприёмника РЛС и найти его коэффициент шума Кш .

        По графикам зависимостей коэффициента шума от частоты для УВЧ на ЛБВ при частотеfl<sub/>=3 ГГц:

                                                                     Кш = 3,22 дб = 2,1.

        

        Значение N0определяется по формуле (1.17) :

                                   />Вт/Гц.          (1.17)

где/> - постоянная Больцмана, /> Дж/К,

     /> - стандартная температура.

        Мощность шума на входе приёмника (в полосе />)рассчитывается по формуле:

                                                                   />                                           (1.18)

где/> - эффективная ширина полосы пропускания линейноготракта приёмника включающего согласованный фильтр.

        

При согласованой обработке:

                                               />,                                             (1.19)

где/> - эффективная ширинаспектра сигнала.

         Ширина спектра сигнала в одном периоде повторения — /> равна:

                             />,                               (1.20)

тогда:

                                                  />Вт.

       

Для совмещенной антенны связь между эффективнойплощадью антенны Апр и коэффициентом усиления Gcsc определяется соотношением:

/>.                                         (1.21)

Зададимся начальным значением длины волны зондирующегосигнала l = 0,1 м. В дальнейшем, после оптимизации, эта длинаволны будет скорректирована.

Тогда получим:

/> м2.

Определим значение максимальной дальности обнаружения Dmax<sub/>которуюдолжна иметь РЛС в свободном пространстве, чтобы ее дальность действия приналичии поглощения радиоволн в атмосфере была равна заданному значению Dmax п.

/>,                               (1.22)

гдеa(l) — коэффициент потерь энергиирадиоволн в атмосфере, определяемый по графику в [ ]

/> дБ/км.

Тогда

/>км.

Находим произведение средней мощности передатчика наэффективную площадь антенны:

/>,                                (1.23)

где/> - эффективная отражающаяплощадь поверхности цели.

/> Вт*м2.

Найдем значение средней мощности передатчика:

/> Вт.                                            (1.24)

Найдем стоимость РЛС:

/>.                       (1.25)

Определим значение средней мощности передатчика иэффективную площадь антенны по критерию минимума стоимости РЛС на первойитерации:

/>/> Вт,                                    (1.26)

/>м2.                                   (1.27)

Определим теперь значение длины волны, соответствующеерассчитанным величинам. Так как в нашей РЛС используется совмещенная антенна,то /> и />связаны соотношением:

/>.                                                         (1.28)

иследовательно:

/> м.                                                (1.29)

Проверим выполнение условия:

/>,                                              (1.30)

/>.                                                (1.31)

где/>.

/>

/>

/>

Так как ни одно из условий не выполняется, проведемоптимизацию параметров на ЭВМ. Значение стоимости РЛС и длины волны на каждойитерации сведены в табл. 1.1.

Результаты расчетов до оптимизации и параметров РЛСпосле проведения оптимизации на ЭВМ приведены в приложении 1.

Таблица 1.1№ итерации Длина волны на предыдущей итерации Стоимость РЛС на предыдущей итерации Новая граница длины волны 1 0,1 м 67564 0,134 м 2 0,134 м 52252 0,12 м 3 0,12 м 44958 0,125 м 4 0,125 м 43489 0,124 м 5 0,124 м 42252 Оптимально

Под стоимостью С1 понимают взвешенную сумму1 Вт мощности передатчика и 1 м2 антенны. В результате оптимизациистоимость РЛС уменьшилась с 67564 до 42252, была получена оптимальная длинаволны l = 0,124 м, которая больше длины волны до оптимизации(l = 0,1 м). Это приводит к тому, что при фиксированномкоэффициенте усиления антенны произошло увеличение ее эффективной площади.Энергетический потенциал станции фиксирован, следовательно при увеличенииэффективной площади антенны происходит уменьшение средней мощности передатчика.

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗОНДИРУЮЩИГО СИГНАЛА

После оптимизации мы получили базу сигнала равную В= 8. Из-за того, что база сигнала больше единицы  возникает противоречие междумаксимальной дальностью и разрешающей способности по дальности. Прииспользовании простого сигнала это противоречие невозможно обойти, однакоиспользование сложных сигналов позволяет обеспечить требуемые параметры.Наиболее известными сложными сигналами являются фазоманипулированные сигналы(ФМ) и сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Из курса лекцийМ.Б.Свердлика и А.Н.Мелешкевича известно, что при базе сигнала меньше 20предпочтительней использовать ФМ сигнал.

Аналитическое описание фазоманипулированного сигналаимеет вид:

/>,                                        (2.1)

где />

Свойство фазоманипулированных сигналов при заданныхМ и Т0полностью описываются кодовой последовательностью:

/>                                          (2.2)

Среди фазоманипулированных сигналов наибольшеераспространение получили бифазные сигналы />,которые строятся на базе кодовых последовательностей максимальной длины (КМД)или М-последовательностей />. Междузначениями Ymи значениями Xm М-последовательности,имеется однозначное соответствие:

/>

Рассмотрим ФМ сигнал для нашей РЛС.

/>ГГц

/>мкс

М-последовательность является переодической спериодом />, который должен быть неменьше базы сигнала. Таким образом В = 7.51 @8, и следовательно, М ³ 8. При  m = 4 получим М = 15, где m – степень порождающего полинома М-последовательности.

Сгенерируем М-последовательность с минимальнымуровнем боковых лепестков функции автокорреляции. Величина боковых лепестковзависит от вида порождающего полинома и от начальной комбинации. Воспользуемсятаблицами, приведенными в методических указаниях [4].

/>                                              (2.3)

Согласно этому полиному (2.3) и для начальнойкомбинации 1000, построим структурную схему генератора ФМ сигнала:

/>

Рис.2.1Структурная схема генератора ФМ сигнала

Построим М-последовательность, реализованную схемойизображенной на рис.2.1. Результаты сведем в табл.2.1.

 

Таблица 2.1

Х4

1 1 1 1 1 1 1 1

Х3

1 1 1 1 1 1 1 1

Х2

1 1 1 1 1 1 1 1

Х1

1 1 1 1 1 1 1 1

Х0

1 1 1 1 1 1 1 1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

1 1 1 1 1 1 1

1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

1 1 1 1

1

1 1 1

1

1 1

1

1 1 1 1 1 1 1

1

1

2

1

2

1

1

3

2

1

15

Рис. 2.2 Построение огибающей ФМ сигнала на выходесогласованного фильтра

Схема, изображенная на рис.2.1 работает следующимобразом. Генератор тактовых импульсов ГТИ вырабатывает тактовые импульсы спериодом Т0. Делитель частоты делит частоту тактового импульса дочастоты повторения зондирующего сигнала. Формирователь управляющих импульсовдлительностью МТ0(ФУИ МТ0) синхронизируется сигналами свыхода делителя частоты (а также с блока синхронизации нестабильности линиизадержки ЧПК) и формирует импульсы длительностью МТ0. Эти импульсывключают коммутатор, подключенный к генератору гармонического колебания. Взависимости от кода М-последовательности (0 или 1) на выходе коммутатораполучаем гармоническое колебание со сдвигом фазы 0 или p соответственно. 

Рассмотрим автокорреляционную функцию полученногосигнала, которая будет соответствовать комплексной огибающей на выходесогласованного фильтра.

/>

Рис. 2.3  Результирующая огибающая сигнала навыходе согласованного фильтра

Структурная схема фильтра согласованного с ФМсигналом, описанным кодовой последовательностью

/>,

изображенав приложении 2.

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА РЛС

Импульсные РЛС, осуществляющие когерентный прием исодержащие устройство ЧПК, называют РЛС с селекцией движущихся целей (РЛС сСДЦ).

Основнаяцель использования РЛС с СДЦ является режекция сигналов пассивныхпомех отнеподвижных целей (зданий, холмов, деревьев), и выделение сигналов отраженныхот движущихся целей для их дальнейшего использования в обнаружителях иотображения радиолокационной обстановки на индикаторе.

       РЛС с СДЦ подразделяются на истинно-когерентные и псевдо-когерентные.

       В истинно-когерентных РЛС зондирующий сигнал представляет собой когерентнуюпоследовательность радиоимпульсов с одинаковой начальной фазой всех радиоимпульсовили с известной разностью начальных фаз радиоимпульсов отстоящих на />.

        В псевдо-когерентных РЛС зондирующий сигнал представляет собой некогерентнуюпоследовательность радиоимпульсов, но при обработке принятых сигналов случайностьначальных фаз используется таким образом, что прием становится когерентным.

        Другими словами, как в истинно-когерентных РЛС, так и в псевдо- когерентных РЛСсигнал на выходе линейного тракта приемника, полученный при отражении зондирующегосигнала  от неподвижной точечной цели, представляет собой импульсную когерентнуюпачку с одинаковыми начальными фазами радиоимпульсов, а при отражении отподвижной точечной цели, движущейся с радиальной скоростью /> начальные фазырадиоимпульсов в соседних периодах повторения отличается  на />.

        При анализе работы когерентно-импульсных РЛС обычно делается допущение, что впределах главного «луча» диаграмма направленности постоянна, а  внеглавного «луча»  излучение и прием не проводятся. Это допущениепозволяет считать, что даже с учетом сканирования антенны амплитуды всехимпульсов когерентной пачки, полученной при отражении зондирующего сигнала отточечной подвижной или неподвижной цели, одинаковы.

        Истинно-когерентные РЛС строятся на базе многокаскадного передатчика с усилителямимощности на выходе, а псевдо-когерентные РЛС — на базе высокочастотного генератора.

        Для проектируемой РЛС необходимо использовать сложный сигналы с />, для этого, как правило,используются истинно-когерентные РЛС .

 На рис.3.1 приведена упрощенная структурная схемаодного из  вариантов истинно-когерентных РЛС.

/>

Рис. 3.1 Обобщенная структурная схема РЛС

Развернутая структурная схема истинно-когерентной РЛСприведена в приложении 3.

В данной РЛС с СДЦ в качестве передатчика используетсяусилитель мощности (УМ) с импульсной модуляцией, а опорный сигнал формируется спомощью стабильного генератора (СГ) гармонических колебаний на частоте fпр. Преимущество данной схемы состоит в том, что онапозволяет применить активный способ формирования ФМС не только на несущейчастоте, но и на более низких радиочастотах.

Сигнал от стабильного генератора (СГ) в качествеопорного подается на когерентный детектор (КД). Он же поступает наформирователь ФМ сигнала (ФФМС) и далее, на смеситель (СМ1), куда одновременноподается сигнал от местного гетеродина (МГ), генерирующего гармоническоеколебание на частоте fмг=f0-fпр.Колебания с выхода СМ1 на частоте f0поступают на усилитель мощности (УМ), в которомпроисходит усиление и импульсная модуляция гармонического ФМ колебания частотойf0. Навыходе усилителя мощности получаются ФМ импульсы требуемой мощности идлительности, следующие с частотой fп. Эти импульсы через антенный переключатель (АП)поступают на антенну.

В режиме приема сигналы с выхода АП поступают насмеситель (СМ2), куда одновременно подается колебание от МГ. Сигналы промежуточнойчастоты с выхода СМ2 поступают на усилитель радиочастоты (У), настроенный  напромежуточную частоту, и далее на согласованный фильтр, затем на КД, кудаподается опорный сигнал с выхода СГ. Сигналы с выхода КД поступают наустройство черезпериодной компенсации (ЧПК) заданной кратности. Послепреобразования в однополярные сигналы с выхода ЧПК подаются на накопитель пачкиимпульсов (БН) и затем на видеоусилитель (ВУ), а из него на устройстваобнаружения и измерения координат цели.

Для компенсации нестабильности линии задержки,используемой в ЧПК, необходима корректировка периода повторения излучаемыхимпульсов. Для этих целей служит блок синхронизации (БС), который, учитывая этунестабильность, управляет формированием пачки зондирующих импульсов и блоком начальнойустановки (БНУ) через логическую схему (ЛС).

Проведем выбор элементной базы к данной структурнойсхеме:

В РЛС обнаружения с круговым обзором наибольшеераспространение получили зеркальные антенны, состоящие из слабонаправленногоизлучастеля и зеркального отражателя. Отражатель выполняется в виде усеченногопарабалоида, что позволяет получить диаграмму направленности вида косекансквадрат.

В качестве усилителя мощности используется лампабегущей волны (ЛБВ)

Приемник в РЛС строится по супергетеродинной схеме,которая позволяет получить более высокую чувствительность приемного тракта.Входным устройством приемника является полупроводниковый смеситель.

Местный гетеродин вследствии высоких требований кстабильности частоты выполняется на базе стабильного задающего генератора.

Согласованный фильтр для ФМ сигнала может бытьреализован на основе ультразвуковых линий задержки (УЛЗ).

Формирователь ФМС описан при расчете параметров ФМсигнала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Методические указания к изучениютемы «Принципы и физические основы построения радиолокационных ирадионавигационных систем» по дисциплине «Основы теории радиотехническихсистем» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ,1991. – 112 с.

2.  Тексты лекций по дисциплине«Основы теории радиотехнических систем». Раздел «Обнаружение сигналов» длястудентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ. 1992. – 87с.

3.  Методические указания по изучениютемы «Статистическая оценка параметров и синтез измеретилей координат целей»для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ, 1990. –53 с.

4.  Тексты лекций по дисциплине«Основы теории радиотехнических систем». Раздел «Сложные сигналы» для студентовспециальности 23.01 / Сост.М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПУ. 1996. – 51 с.

5.  Методические указания ккурсовому проектированию по дисциплине «Основытеории радиотехнических систем» для студентов специальности 23.01 / Сост.М.Б.Свердлик, А.А.Кононов, В.Г.Макаренко. – Одесса: ОПИ, 1991. – 52 с.

6.  Лезин Ю. С. «Введение в теорию итехнику радиотехнических систем»: Учеб. пособие для вузов. –М.: Радио и связь,1986. – 280 с., ил.

7.  «Радиотехнические системы» / Под.ред. Ю.М.Казаринова. – М.: Высш. шк., 1990.