Реферат: Выбор и обоснование тактико-технических характеристик РЛС. Разработка структурной схемы

 

Министерствообразования Украины

Национальныйавиационный университет

/>


Теоретические основы радиолокации

Выбор и обоснованиетактико-технических характеристик РЛС. Разработка структурной

 схемы

            Выполнил студент                                                      Принял:

            Группы: 404                                                                   Соколов П.М.

          Факультетарадиолэектроники

            Черныш Александр Александрович

 

Киев 2002

 

Содержание:

1. Задание:… 3

2. Введение… 4

3. Обоснование, выбор и расчет тактико-техническиххарактеристик радиолокационной станции            6

3.1. Обоснование, выбор ирасчет тактических характеристик РЛС… 6

3.1.1. Максимальнаядальность действия Rmax… 6

3.1.2. Минимальная дальностьдействия РЛС Rmin… 6

3.1.3. Разрешающаяспособность РЛС по дальности DR… 7

3.1.4. Разрешающаяспособность РЛС по азимуту Da на средней дальности… 7

3.1.5. Период обзора Тобз.… 8

3.1.6. Разрешающая способность по углу места… 8

3.1.7. Секторы обзора поазимуту Daобз и по углу места Dbобз… 8

3.1.8. Точность определениякоординат по дальности Grn… 8

3.1.10. Вероятностьправильного обнаружения D:… 9

3.1.11. Вероятность ложнойтревоги F… 10

3.2. Обоснование, выбор ирасчет технических характеристик РЛС… 10

3.2.1. Режим работы РЛС… 10

3.2.2. Рабочая длина волны l… 10

3.2.3. Частота повторениязондирующих импульсов Fn… 10

3.2.4. Длительностьзондирующего импульса tu… 10

3.2.5. Форма и ширинадиаграммы направленности… 11

3.2.6. Необходимый диаметр антенны… 11

3.2.7. КНД и усиления антенны, эффективная площадь антенны… 11

3.2.8. Скорость вращенияантенны Ωа.… 12

3.2.9. Количество импульсовв пакете Nu… 12

3.2.10. Чувствительностьприемника Pnmin… 12

3.2.11. Оцениваем эффективную отражающую поверхность цели… 13

3.2.12. Влияние затухания a… 13

3.2.13.Импульсная мощностьизлучения Pu… 15

3.2.14. Средняя мощностьизлучения Pср передатчика… 15

4. Описание обобщённой структурной схемы РЛС… 15

5. Структурная схема метеонавигационных радиолокаторов типа«Гроза»… 17

6. Заключение… 20

7. Список использованной литературы:… 21


/>/>/>/>/>/>/>1. Задание:

Необходимо рассчитатьтактико-технические характеристики радиолокационной станции, используя нормы ирекомендации ICAO, государственные и международные стандарты, выбратьнедостающие технические и тактические характеристики, обосновать их выбор, атакже разработать структурную схему РЛС.

Исходные данные:

¨         Период обзора……………………………………………………………… Тобз=5с

¨         Сектор обзорав горизонтальной плоскости,…………………………….Daобз = ±1000;

¨         Ширина ДНАРЛС в вертикальной плоскости,………………….………Db=350;

¨         Диаметр пятнаЭЛТ, ………………………………………………………dn=0,5мм;

¨         Максимальнаядальность действия РЛС,…………………………………Rmax = 400·103м;

¨         Длительностьимпульса,…………………………………………………...tu = 1,5Ч10-6c;

¨         Ширина ДНА вгоризонтальной плоскости,……………………………..q = 3°;

¨         Вероятностьправильного обнаружения,…………………………………D = 0,5;

¨         Вероятностьложной тревоги,……………………………………………..F = 10-9;

¨         Коэффициентшума,.……………………………………………………….Nш = 10dB;

¨         Эффективнаяотражающая поверхность цели,…………………………..Sэф = 40м2;

¨         Диаметрэкрана ЭЛТ,………………………………………………………Dэ = 0,25м.

ДНА –диаграмма направленности антенны.


/>/>/>/>2.Введение

Радиолокация – область радиотехники,обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, то есть ихобнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторыхструктурных или физических свойств путем использования отраженных илипереизлученных объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения.

Информация, получаемая в процессерадиолокационного наблюдения, называется радиолокационной. Радиотехническиеустройства радиолокационного наблюдения называются радиолокационными станциями(РЛС) или радиолокаторами. Сами же объекты радиолокационного наблюденияименуются радиолокационными целями или просто целями. При использованииотраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородностиэлектрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемостей,проводимости), в которой распространяется первичная волна. Сюда относятся летательныеаппараты (самолеты, вертолеты, метеорологические зонды и др.), гидрометеоры(дождь, снег, град, облака и т. д.), речные и морские суда, наземные объекты(строения, автомобили, самолеты в аэропортах и др.), всевозможные военныеобъекты и т. п. Особым видом радиолокационных целей являются астрономическиеобъекты.

Источником радиолокационнойинформации является радиолокационный сигнал. В зависимости от способов егополучения различают следующие виды радиолокационного наблюдения.

1.   Радиолокацияс пассивным ответом,основанная на том, что излучаемые РЛС колебания – зондирующий сигнал –отражаются от цели и попадают в приемник РЛС в виде отраженного сигнала. Такойвид наблюдения иногда называют также активной радиолокацией с пассивнымответом.

2.   Радиолокацияс активным ответом,именуемая активной радиолокацией с активным ответом, характеризуется тем, чтоответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специальногоответчика – ретранслятора. При этом заметно повышается дальность иконтрастность радиолокационного наблюдения.

3.   Пассивнаярадиолокация основана на приеме собственного радиоизлучения целей, преимущественно миллиметровогои сантиметрового диапазонов. Если зондирующий сигнал в двух предыдущих случаяхможет быть использован как опорный, что обеспечивает принципиальную возможностьизмерения дальность и скорости, то в данном случае такая возможностьотсутствует.

Систему РЛС можно рассматриватькак радиолокационный канал наподобие радиоканалов связи или телеметрии.Основными составными частями РЛС являются передатчик, приемник, антенное устройство,оконечное устройство.

Большинство РЛС с импульсноймодуляцией имеет одну антенну, снабженную специальным антенным переключателемдля перехода из режима передачи в режим приема и наоборот.

Передатчик РЛС вырабатываетвысокочастотные колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте или фазеиногда весьма сложным образом. Эти колебания подаются в антенное устройство иобразуют зондирующий сигнал. Наибольшее применение находит зондирующий сигнал ввиде последовательности равноотстоящих по времени коротких радиоимпульсов.Наряду с простыми радиоимпульсами может применяться внутриимпульснаячастотная модуляция и фазовая манипуляция. Другим видом зондирующегосигнала является непрерывный. Здесь наряду с незатухающими гармоническимиколебаниями могут использоваться частотно-модулированные и др.

Излучаемые колебания нельзясчитать радиолокационным сигналом, так как они никакой информации о цели ненесут. После того, как электромагнитная волна, падающая на цель, вызывает в еетеле вынужденные колебания электрических зарядов, цель, подобно обычной антеннесоздает свое электромагнитное поле. Это поле в дальней зоне представляет собойвторичную, то есть отраженную волну, создающую в РЛС радиолокационный сигнал,который является носителем информации о цели. Так амплитуда сигнала вопределенной степени характеризует размеры и отражающие свойства цели, времязапаздывания относительно начала излучения зондирующего сигнала используетсядля измерения дальности, а частота колебаний благодаря эффекту Доплера несетинформацию о радиальной скорости цели. Поляризационные параметры отраженнойволны могут также быть использованы для оценки свойств цели. Наконец,направление прихода отраженной волны содержит информацию об угловых координатахцели.

Приемник РЛС необходим дляоптимального выделения полезного сигнала из помех (так называемая первичнаяобработка сигнала). Оконечное (выходное) устройство служит для представлениярадиолокационной информации в нужной потребителю форме. Если потребителемявляется человек-оператор, то используется визуальная индикация. Дляпотребителя в виде вычислительного устройства непрерывного действия оконечнымявляется устройство автоматического сопровождения цели по измеряемомупараметру (дальность, угловые координаты, скорость), и полезная информациявыдается в виде напряжений или токов, функционально связанных с этимипараметрами. Если же оконечным устройством является ЭВМ, то радиолокационнаяинформация преобразовывается в двоичный код. При этом в ЭВМ происходитдальнейшая, так называемая вторичная обработка сигнала.

Важной составной частьюрадиолокационного канала, как и любого радиоканала, являются радиопомехи. Внутренниешумы вызывают подавление полезного сигнала, а также появление ложногосигнала и вносят ошибки в измерение координаты. Наряду с этим флуктуациискорости распространения радиоволн в атмосфере, а также случайное изменение ихтраектории вследствие рефракции следует рассматривать как помехи. Такое жедействие оказывают пассивные помехи – источники ложных отражений(например, отражения от земной поверхности при наблюдении целей). Другимисточником помех являются флуктуации центра масс движущейся целиотносительно траектории движения. Источники мешающих радиоизлученийобразуют активные помехи (против РЛС военного назначения могут специальносоздаваться организованные активные помехи, возможны также организованныепассивные помехи).

В условиях большой насыщенностирадиосредствами заметное влияние могут оказывать активные взаимные помехи.

Главные этапы радиолокационногонаблюдения – это обнаружение, измерение, разрешение и распознавание.

Обнаружением называется процесс принятиярешения о наличии целей с допустимой вероятностью ошибочного решения.

Измерение позволяет оценить координатыцелей и параметры их движения с допустимыми погрешностями.

 Разрешениезаключается в выполнении задач обнаружения и измерения координат одной цели приналичии других, близко расположенных по дальности, скорости и т. д.Наконец

Распознавание дает возможность установитьнекоторые характерные признаки цели: точечная она или групповая, движущаяся илигрупповая и т. д.

Радиолокационная информация,поступающая от РЛС, транслируется по радиоканалу или по кабелю на пунктуправления. Процесс слежения РЛС за отдельными целями автоматизирован иосуществляется с помощью ЭВМ.

Навигация самолетов по трассеобеспечивается посредством таких же РЛС, которые применяются в УВД. Онииспользуются как для контроля выдерживания заданной трассы, так и дляопределения местоположения в процессе полета.

Для выполнения посадки и ееавтоматизации наряду с радиомаячными системами широко используются РЛС посадки,обеспечивающие слежение за отклонением самолета от курса и глиссады планирования.

В гражданской авиации используюттакже ряд бортовых радиолокационных устройств. Сюда, прежде всего, относитсяботовая РЛС для обнаружения опасных метеообразований и препятствий. Обычно онаже служит для обзора земли с целью обеспечения возможности автономной навигациипо характерным наземным радиолокационным ориентирам.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 3. Обоснование, выбор и расчеттактико-технических характеристик радиолокационной станции/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1. Обоснование, выбор и расчеттактических характеристик РЛС/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.1. Максимальнаядальность действия Rmax

Максимальная дальность действия задается тактическимитребованиями и зависит от многих технических характеристик РЛС, условийраспространения радиоволн и характеристик целей, которые в реальных условияхиспользования станций подвержены случайным изменениям. Поэтому максимальная дальностьдействия является вероятностной характеристикой.

Уравнение дальности в свободном пространстве (т. е.без учета влияния земли и поглощения в атмосфере) для точечной целиустанавливает связь между всеми основными параметрами РЛС.

/>                                                                                             (1)

где:

Pu — мощность излучения;

            Da — коэффициент направленного действияантенны;

            Sa — эффективная площадь антенны;

            Sэф — эффективная отражающаяповерхность цели;

            Pnmin — чувствительность приемника.

Максимальная дальность действия РЛС задана вусловии и равна:

Rmax = 450·103 м.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.2. Минимальнаядальность действия РЛС Rmin

Минимальная дальность обнаружения станции зависитот пределов работы антенной системы по углу места. Она различна для разныхчастот и определяет величину мертвой зоны. В наземных РЛС при малых углах местареальное значение Rmin ограничивается влиянием местных предметов,определяющих углы закрытия, которые, в свою очередь, ограничивают возможностьнаблюдения низколетящих целей.

Если антенная система не вносит ограничений, томинимальная дальность действия РЛС определяется длительностью импульса tu ивременем восстановления антенного переключателя tb.

/>                                                                             (2)

/>0,5∙3∙108∙(1,5∙10-6+0,2∙1,7∙10-6)=306 м

где:

с — скорость распространения электромагнитной волныв вакууме, c = 3∙108 мЧc-1;

τb-время восстановления антенного переключателя, tb = 0.2Чtu.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.3. Разрешающаяспособность РЛС по дальностиDR

Разрешающая способность по дальности — минимальнаядальность между двумя целями, имеющими угловые одинаковые координаты, прикоторой метки от них на экране индикатора видны раздельно.

Потенциальная разрешающая способность по дальностивычисляется по формуле:

/>/>                                                                                                        (3)

Для определения реальной разрешающей способности подальности необходимо учесть параметры ЭЛТ индикатора:

/>                                                                                                (4)

где:

dn — диаметр пятна, dn = 0.5мм = 5.0Ч10-4м;

            L — длина развертки.

/>                                                                               />0.15×м

где:

Dэ — диаметр ЭЛТ, Dэ = 0.25 м.

Но, т.к. мы имеем секторную развёртку с секторомобзора по азимуту Daобз = ±100°, смещаемцентр экрана вниз, что увеличивает коэффициент использования экрана.

Реальнаяразрешающая способность по дальности будет иметь вид:

/>                                           />1.755×103 м

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.4. Разрешающаяспособность РЛС по азимуту Daна средней дальности.

Разрешающаяспособность по азимуту определяется выражением:

/>                                                                                                     (5)

где:

q — ширинадиаграммы направленности по половинной мощности в горизонтальной плоскости;

Dau –разрешающая способность по азимуту индикаторного устройства, зависящая отлинейного размера азимутальной развертки и диаметра пятна ЭЛТ.

/>

/>                             />3.38×0

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.5. Период обзораТобз.

Периодом обзора РЛС Тобз называется интервал времени,необходимый для облучения всех точек зоны обзора станции, и определяетсявыражением:

/>                                                                                                 (6)

где:

Numin – минимальное число отраженных от целиимпульсов, необходимых для обнаружения цели с заданной вероятностью;

            Daобз –сектор обзора в горизонтальной плоскости, Daобз = 200°;

            Fn – частота повторения зондирующихимпульсов;

            q — ширинадиаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Частота повторения зондирующих импульсовопределяется по формуле:

/>                                                                                                            (7)

где:

Кз – коэффициент запаса, учитывающий влияниеиндикатора, Кз = 1,2.

/>                                                                />277.778×Гц

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>                                                             />5×c

 

3.1.6. Разрешающая способность поуглу места.

Разрешающая способность по угловой координате(направлению) численно характеризуется минимальным углом (по азимуту или углуместа) между направлениями на две равноудаленные относительно РЛС цели, прикотором еще возможно их раздельное наблюдение.

В данном случае не имеет смысла говорить образрешающей способности по углу места, т.к. мы проектируем обзорную РЛС,антенна которой имеет косекансную диаграмму направленности и не имеет разрешающуюспособность по углу места..

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.7. Секторы обзорапо азимуту Daобз ипо углу местаDbобз.

Секторы обзора по азимуту и по углу места задаютсяв техническом задании. В данном случаи

сектор обзора по азимуту равен:……………………………………….Daобз = ±100°;

сектор обзора по углу места равен:……………………………….……Dbобз = 35°.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.8. Точностьопределения координат по дальностиGrn.

Точность определения дальности зависит от точности измерения запаздыванияотраженного сигнала, ошибок из-за неоптимальности обработки сигнала, от наличиянеучтенных запаздываний сигнала в трактах передачи, приема и индикации, отслучайных ошибок измерения дальности в индикаторных устройствах.

Ошибки в индикаторных устройствах обуславливаютсянестабильностью масштабных меток и ошибками считывания.

Потенциальная точность измерения дальности РЛСвычисляется по формуле:

/>                                                                                            (8)

где:

tu –длительность импульса;

/> <td/>

Рис.1 Характеристики обнаружения когерентного приемника для сигнала со случайной начальной фазой.

 
/>/>/>/>/>

qmin – минимальное отношение сигнал-шум понапряжению, определяемое по характеристикам обнаружения (Рис.1) qmin=5.8

Из-за отсутствия внутриимпульсноймодуляции Ксж=1.

/>                                                     />24.805×м

/>/>/>/>/>/>3.1.9. Точность определениякоординат по азимуту Gan.

Систематические ошибки при измерении азимута могутвозникнуть при неточном ориентировании антенной системы РЛС и вследствиенесоответствия между положением антенны и масштабной электрической шкалойазимута.

Случайные ошибки измерения азимута целиобуславливаются нестабильностью работы системы вращения антенны,нестабильностью схем формирования отметок азимута, а также ошибками считывания.

Потенциальная ошибка измерения азимута определяетсявыражением: />                                                                                                          (9)

            />0.285

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.1.10. Вероятностьправильного обнаруженияD:

Вероятность правильного обнаружения – вероятность принятия решения о наличии цели приусловии, что цель действительно есть.

Вероятность правильного обнаружения задана втехническом задании и равна D = 0,5.

/>/>/>/>/>/>/>/>/> 

3.1.11. Вероятность ложной тревогиF.

Вероятность ложной тревоги – вероятность принятия решения о наличии цели приее отсутствии.

Вероятность ложной тревоги задана в техническомзадании и равна F = 10-9.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.Обоснование, выбор и расчет технических характеристик РЛС/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.1. Режим работы РЛС.

Проектируемая радиолокационная станция работает вимпульсном режиме. Сигнал – некогерентные прямоугольные импульсы.

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.2. Рабочая длина волны l.

Диапазон волн, применяемый в радиолокационнойтехнике, лежит в области метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровыхволн. От длины волны РЛС зависят размеры антенной системы при требуемыхзначениях диаграммы направленности и коэффициента направленного действияантенны. Применение более коротких волн при тех же размерах антенны позволяетулучшить разрешающую способность и точность отсчета угловых координат. Привыборе длины волны необходимо учитывать поглощающие и рассеивающие действиягидрометеоров и атмосферы, возможность получения необходимой мощности отпередатчика и обеспечения требуемой чувствительности приемника.

В диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровыхволн интенсивное поглощение электромагнитных колебаний вызывает нежелательноеуменьшение дальности действия станции. Кроме того, гидрометеоры в этихдиапазонах могут являться источником интенсивного отражения, затрудняющего и полностьюисключающего наблюдение целей.

Выбор длины волны должен производиться с учетомособенностей РЛС и влияния длины волны на ее тактические характеристики.

Так, например, РЛС дальнего обнаружения, от которойне требуется очень высокой разрешающей способности и большой точности измеренияугловых координат, может работать в диапазоне дециметровых или даже метровыхволн.

Наоборот, для РЛС ближнего действия, как правило,важны высокая точность отсчета угловых координат и разрешающая способность. Втаких случаях выгодно использовать сантиметровые, а иногда и миллиметровыеволны, поскольку при общем небольшом радиусе действия станции затуханиеэлектромагнитных волн в атмосфере будет сказываться еще не слишком сильно.

Принимая во внимание все вышесказанное, выберемрабочую длину волны l=0.03 м.

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.3. Частота повторения зондирующих импульсов Fn.

Для однозначного определения целей на заданныхрасстояниях максимальная частота повторения Fn зондирующих импульсов должнаудовлетворять условию:

/>                                                                                              (10)

где:

Кз=1,2 – коэффициент запаса.

/>277.778×Гц

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.4. Длительность зондирующего импульса tu.

Основным соображением по выбору длительностиимпульса является обеспечение заданной разрешающей способности по дальности. Отдлительности импульса также зависит минимальная дальность действия Rmin.Уменьшение длительности импульсов приводит к уменьшению эффективной площади отраспределенных объектов./>/>

Длительность зондирующего импульса задана в условиии равна: tu = 1,7Ч10-6c./>

/>/>/>/>/>/>/>3.2.5. Форма и ширинадиаграммы направленности.

При выборе формы диаграммы направленностинеобходимо учитывать следующие требования:

¨    наиболее целесообразноеиспользование мощности излучения (пример косекансной диаграммы направленности);

¨    обеспечение требуемойразрешающей способности по угловым координатам и точности их определения;

¨    обзор установленного секторапространства или участка поверхности в заданное время должен производиться безпропуска в приеме отраженных сигналов.

Таким образом, требования оказываются в достаточноймере противоречивыми. Поэтому часто приходится искать компромиссное решение.

Для удобства обычно рассматривают отдельнодиаграмму направленности в горизонтальной плоскости и диаграмму направленностив вертикальной плоскости. При этом обращают внимание на ширину диаграммынаправленности q.

Ширина диаграммы направленности антенны влияет надальность радиолокационного наблюдения. По мере сужения диаграммынаправленности антенны увеличивается ее коэффициент направленного действия исоответственно возрастает максимальная дальность действия РЛС.

Точность измерения угловых координат также зависитот ширины диаграммы направленности в плоскости пеленгования. С ростом шириныдиаграммы ошибка увеличивается. При выборе величины qнеобходимо учитывать требования в отношении разрешающей способности понаправлению Da. Чемшире диаграмма направленности, тем труднее наблюдать цели, находящиеся наблизком расстоянии.

Принятая в РЛС диаграмма направленности зависит отметода обзора пространства и способа измерения координат. В плоскости измеренияугловых координат целей диаграмму направленности делают возможно более узкой.

Ширина диаграммы направленности в горизонтальнойплоскости равна:

q = 3°, ввертикальной плоскости косекансквадратная диаграмма направленности j=35°.

q0,5=q/1.5=20

3.2.6. Необходимый диаметрантенны

/>                                                     dА/>

Принимаем dА=0.76м, и уточняем ширину луча.

            />                                                    />рад

3.2.7. КНД и усиления антенны,эффективная площадь антенны.

КНД — коэффициент направленного действия антенны.

            />                                                     />=5490

            />                                                    />=5215

            />                                                  />=0,448 м2

GA – коэффициент усиления антенны;

            SА – эффективнаяплощадь антенны;

η– КПД антенны.

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.8. Скорость вращения антенны Ωа..

Скорость вращения антенны выбирают с учетомтребований в отношении сокращения времени обзора и надежности наблюдениясигналов.

При заданных значениях ширины диаграммынаправленности q, частотыследования импульсов Fn и сектора обзора Daобзскорость вращения антенны определяется выражением:

/>                                                                                                   (11)

/>0.417×c-1

/>                                                                                                                  (12)

/>40 град × c-1

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.9. Количество импульсов в пакете Nu.

Количество импульсов в пакете зависит от шириныдиаграммы направленности в горизонтальной плоскости q, скоростивращения антенны W ичастоты следования зондирующих импульсов Fn:

/>                                                                                                 (13)

/>20

/>/>/>/>/>/>/>/>3.2.10. Чувствительность приемникаPnmin.

Приемное устройство осуществляет обнаружение сигналов.Обнаружение сигналов при оптимальной фильтрации обычно сводится к следующимоперациям:

¨      оптимальная фильтрация каждогоимпульса пакета;

¨      амплитудное детектирование;

¨      синхронное интегрированиевидеосигналов;

¨      испытание суммарного сигнала напорог.

Первые две операции обычно выполняет приемноеустройство, а остальные – выходное. Применение оптимальной обработки сигналовприводит к уменьшению пороговой мощности. Под пороговой мощностьюрадиолокационных сигналов понимают минимальную мощность сигнала на его входе,при которой обеспечивается прием и обнаружение отраженных сигналов с заданнымивероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.

Величина пороговой мощности радиолокационныхсигналов зависит от заданных значений вероятностей правильного обнаружения D иложной тревоги F, параметров радиолокационных сигналов, времени наблюдения ивида обработки радиолокационных сигналов.

Пороговая мощность является реальнойчувствительностью приемника. Она определяется выражением:

/>                                                                         (14)

где:

k – постоянная Больцмана, k = 1.380662Ч10-23JЧK-1;

            Т – абсолютная температура,Т = 300К;

            Df –полоса пропускания приемника;

            Nш – коэффициент шума приемника;

            mp – коэффициент различимости.

Полосапропускания приемника определяется по формуле:

/>

где:

а – коэффициент, учитывающий степень искажениясигнала, проходящего через приемник, а = 1.37

/>8.059×105 × Гц

Коэффициентшума приемника задан в условии и равен Nш = 10 dB.

Коэффициентразличимости определяется из выражения:

/>                                                                            />1,297

Чувствительностьприемника равна:

/>                                     />4,327×10-14×Вт

илив dB/мВТ

/>                                         />113.6 dB/мВТ

где:

Ро = 10-3Вт – исходныйотсчетный уровень.

            3.2.11. Оцениваем эффективную отражающую поверхностьцели.

Удельнаяэффективная отражающая поверхность цели:

            />                                                               />

Рассеивающийобъём на максимальной дальности:

            />/>                                           />9,266/>

Полнаяэффективная отражающая поверхность цели:

            />                                                                          />4,82 105 м2

/>/>3.2.12. Влияние затухания a.

Затухание радиоволн в атмосфере обусловленопоглощением их энергии свободными молекулами кислорода и водяного пара, а такжевзвешенными частицами – пылинками и каплями воды. Кроме того, происходитрассеяние радиоволн жидкими и твердыми частицами, которые вызывают эффект,аналогичный поглощению энергии.

Влияние постоянного затухания a намаксимальную дальность действия РЛС определяется выражение:

/>                                                                    (16)

где:

R`max – дальность действия РЛС с учетом затухания;

            Rmax – дальность действия РЛС без учетазатухания;

a — коэффициент затухания, зависящий от длины волны и от интенсивности осадков илиот водности облаков.

Например,если на трассе идет дождь интенсивностью 15 мм/час, то для длины волны l = 3см коэффициент затухания a = 0,03dB/kм.

Уравнение (16) является трансцендентным. Решить егоможно графически. Для облегчения задачи целесообразно путем логарифмированияобеих частей привести уравнение к виду:

/>                                                                                           (17)

/>

/>

ЗависимостьaЧRmax = j(g)представлена на рис. 2:

/> <td/> />
            Рис 2.относительное уменьшениедальности за счёт затухания в атмосфере

g = 0.477

Откудаопределяется дальность действия РЛС с учетом затухания:

/>214,65×kм

f(0.477)=13/>/>,5

Для того, чтобы РЛС в плохуюпогоду действовала на расстояние />450×kм,необходимо рассчитывать её на расстояние:

/>                                                         />943,4км

/>/>/>/>/>/>3.2.13.Импульсная мощность излучения Pu

В зависимости от назначения станции мощностьизлучаемых импульсов выбирают от единиц киловатт до тысяч киловатт. Мощностьизлучения рассчитывают в соответствии с основным уравнением радиолокации,откуда:

/>                                                                           (15)

где:

Da – коэффициент направленного действия антенны;

            Sa – эффективная площадь антенны;

            L0– учитываетпотери в системе (L0=5)

Мощностьизлучения передатчика РЛС равна:

/>                                       />480<sup/>×kВТ

3.2.14. Средняя мощность излучения Pср передатчика.

/>                                                                   />226 Вт

/>
/>4.Описание обобщённой структурной схемы РЛС

Структурнаясхема РЛС с визуальной индикацией цели изображена на рис3.

Рис. 3. Структурная схемаимпульсной РЛС

Синхр. – синхронизатор; ИМ –импульсный модулятор; СВЧ Ген. – генератор СВЧ; АП – антенный переключатель;ГМИ – генератор масштабных импульсов; ПРМ – приемник; ГР – генератор развертки;ЭЛТ – электронно-лучевая трубка; ССП – сильсинно-следящая передача; МВА –механизм вращения антенны.

Данные по параметрам РЛС можнанайти в сводной таблице 1.

Антенна РЛС имеет веерообразнуюдиаграмму направленности, то есть узкую в горизонтальной плоскости (шириной внесколько градусов или долей градуса q=30), и достаточно широкую (десятки градусовDbобз=350) в вертикальной плоскости. Привращении такая антенна обеспечивает не только требуемый обзор в вертикальной игоризонтальной плоскостях, но и измерение азимута.

Этот принцип сохраняется как дляобзора воздушного пространства (наземная РЛС), так и для обзора земнойповерхности (бортовая РЛС). Для визуальной индикации двух координат целиследует использовать двухмерный индикатор кругового обзора (ИКО) с яркостнойотметкой цели, в котором обычно применяются ЭЛТ с магнитным управлением. Внашем случае используем секторный индикатор для увеличения коэффициентаиспользования антенны. Импульсные сигналы с выхода приемника подается науправляющий электрод ЭЛТ, и увеличивают яркость экрана во время их появления.

/>Разверткадальности осуществляется с помощью отклоняющей катушки, создающей магнитноеполе, которое равномерно перемещает электронный луч от центра экрана ЭЛТ к егокраю. Азимутальная развертка получается с помощью сельсинно-следящей передачи(ССП), которая обеспечивает синфазное с вращением антенны по азимуту вращениерадиальной развертки вокруг центра.

/>Синхронизатор РЛС вырабатываетпериодическую последовательность импуль-сов с периодом Tn=3,6 10-3,которые воздействуют одновременно (либо с некоторым постоянным запаздыванием)на модулятор, генератор развертки дальности и генератор масштабных импульсов.Импульсный модулятор вырабатывает модулирующие видеоимпульсы длительностью tu=1,7 10-6, воздействующие на генераторСВЧ. Последний вырабатывает радиоимпульсы примерно такой же длительности.

ГенераторСВЧ формирует периодическую последовательность радиоимпульсов, излучаемую антеннойв виде зондирующего сигнала. Отраженный импульс появляется на входе приемника черезинтервал времени tз. На выходе приемника образуются видеоимпульсы, смешанные сшумом, которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ.

Генераторразвертки дальности вырабатывает в отклоняющей катушке пилообразно изменяющийсяток. При этом электронный луч совершает равномерное движение вдоль радиуса ЭЛТ,который в свою очередь вращается вместе с антенной. Такая развертка луча наэкране ЭЛТ называется радиально-круговой. Она создает на экране изображение(часто именуемое растром) в виде тесно примыкающих друг к другу радиусов.

Генератор масштабных импульсоввырабатывает серию импульсов, которые могут быть периодическими, либо иметь видпачек, действующих в пределах длительности прямого хода развертки. Такие импульсыможно формировать, например, с помощью генератора ударного возбуждения. Частьприменяются масштабные импульсы отрицательной полярности, подаваемые на катодЭЛТ (это облегчает развязку выходных цепей приемника и генератора масштабныхимпульсов).

Механизм формирования изображенияна экране ЭЛТ описан ниже. При вращении антенны, когда край диаграммынаправленности совпадает с направлением на цель, на соответствующем радиусеразвертки под действием импульса цели возникает яркая точка. Кроме того,возникает серия ярких эквидистантных точек под действием масштабных импульсов.Вращение антенны по часовой стрелке равносильно перемещению цели в обратномнаправлении. После полного оборота антенны на экране образуются масштабныекольца (электронная шкала дальности), а цель будет иметь вид небольшой дуги,угловые размеры которой приблизительно равны угловой ширине луча антенны.

Дальностьцели отсчитывается с помощью масштабных колец. Азимут же цели b отсчитывается по положению середины ее отметкиотносительно какого либо начального направления, например северного направлениямеридиана.

5. Структурная схемаметеонавигационных радиолокаторов типа «Гроза».

Бортовые радиолокаторы, созданныена элементной базе первого поколения (электронные лампы, объемный монтаж),отлича­лись большими габаритами и массой, имели малую надежность и состояли избольшого количества блоков. Переход к элементной базе второго поколения(полупроводниковые приборы и модули) позволил значительно улучшитьхарактеристики ряда узлов и блоков.

Эволюция РЛС шла, в основном, попути уменьшения массы, габаритов, количества блоков и повышения надежности, ане увеличения мощности или раскрыва антенны. Ко второму поколению метеонавигационныхРЛС относятся радиолокаторы «Гроза», получившие широкое распространение. Приразработке модификаций РЛС «Гроза» учитывалось развитие элементной базы,поэтому современные модификации РЛС «Гроза» можно считать переходными ктретьему поколению (интегральные микросхемы, микромодули). В настоящее времяосуществляется переход к твердотельному исполнению бортовых РЛС и к цифровымметодам обработки данных.

Наш метеонавигационная РЛС будетпостроен на основе локаторов второго поколения типа «Гроза».

Рассмотрим общую компоновкуметеонавигационной РЛС семейства радиолокаторов «Гроза». С целью обеспеченияоптимальных комплектаций радиолокатора для создаваемых и переоборудуемых самолетовосновные его блоки выпускаются в различных вариантах. Все варианты имодификации максимально унифицированы, что позволяет удешевить их серийноепроизводство и эксплуатацию, а также обеспечивает возможность использования вдругих комплектациях.

В любую комплектациюрадиолокатора как минимум должны входить четыре блока: антенный (блок 1),основной приемо-передающий (блок 2), стабилизации и управления (блок 7),основной индикаторный (блок 4). Каждый из этих блоков может быть любоймодификации.

При комплектации радиолокатораодним индикаторным блоком в состав комплекта обязательно должен быть включенэквивалент дополнительного индикатора (блок 35). При оснащении самолета двумяиндикаторами дополнительный индикатор включается вместо указанного эквивалента.

Дляповышения надежности РЛС в комплект вводят резервный приемопередатчик (блок 2)любой модификации. В этом случае необходима также коммутационная коробка (блок17) и волноводный коммутатор (блок 47).

Радиолокатор сопрягается ссамолетными гировертикалями, имеющими выходы сигналов крена и тангажа. Длякоррекции текущих координат в комплект включают блок коррекции (блок 28),взаимодействующий с навигационным вычислителем.

При невозможности размещения насамолете основного индикатора (блока 4) вместо него может быть установлендополнительный индикатор (блок 4-Д), имеющий меньшие размеры. В этом случае вкомплектацию станции обязательно выводится отдельный пульт управления (блок 10).

Комплектация радиолокатора дляданного типа самолета выбирается самолетостроительным предприятием исогласовывается с главным конструктором радиолокатора.

Разработка конструкцииволноводного тракта для выбранной комплектации осуществляется разработчикомРЛС. Номинальные дальности действия РЛС обеспечиваются, если длина волноводноготракта не превышает 7 м. При большей длине тракта дальность сокращаетсяпримерно на 1,5% на каждый последующий метр длины. Для компенсации этих потерьможно использовать второй приемопередатчик блок 2-У (с предварительнымусилителем на туннельном диоде).

После согласования с главнымконструктором радиолокатора комплектации РЛС, схемы её сопряжения радиолокаторуприсваивается условное обозначение, например, «Гроза 40» — для самолета Як-40,«Гроза 154» — для самолета Ту-154.

Функциональная схема радиолокатора при работе врежимах «Земля», «Метео», «Контур», «Снос» показана на рис. 5 РЛС представляетсобой импульсный некогерентный радиолокатор со сканирующей в азимутальнойплоскости антенной и индикатором «азимут—дальность». Схема (рис. 5) содержитвсе элементы типовой структурной схемы импульсной РЛС, однако они скомпонованыв четырех основных блоках, выделенных пунктиром.

Синхронизация работы передающегоканала РЛС осуществляется частотой 400 Гц питающей сети. Модуляторприемопередатчика формирует высоковольтные импульсы, поступающие на магнетрон,который генерирует СВЧ импульсы. Для обеспеченияпрогрева катода магнетрона вмодуляторе приемопередатчика осуществляется задержка на 3—5 мин формированиямодулирующего импульса по отношению к моменту включения напряжения питания 115В400Гц. СВЧ импульсы через циркулятор и ферритовый вращатель плоскостиполяризации по волноводному тракту передаются на облучатель антенного блока.Циркулятор служит для переключения антенны с приемного на передающий канал, т.е. выполняет функцию антенного переключателя.

Рис. 5. Функциональная схема РЛСсемейства «Гроза»

Ферритовый вращательплоскости поляризации служит для изменения поляризации СВЧ колебаний. Взависимости от поляризации СВЧ колебаний отражателем антенного блокаформируется либо веерная косеканс-квадратная диаграмма направленности (дляобзора земли), либо узкий симметричный луч. Отражатель антенного блокасдвоенный и состоит из параболического отражателя и отражателя специальнойформы. Параболический отражатель представляет собой симметричный параболоидвращения, изготовленный из полностью металлизированной стеклоткани. Приоблучении параболического отражателя электромагнитной энергией он формируетдиаграмму в виде узкого луча. Профиль отражателя специальной формы ввертикальных сечениях рассчитан для получения веерной диаграммы направленноститипа косеканс-квадрат. Этот отражатель изготовлен из стеклоткани,металлизированные нити в которой расположены строго горизонтально с шагом 3 мм.При вертикальной поляризации электромагнитная энергия беспрепятственно проходитсквозь отражатель специальной формы и, отражаясь от параболоида, формируетузкий симметричный луч.

Приизменении поляризации облучающих колебаний с вертикальной на горизонтальную(при подаче 27В на ферритовый вращатель плоскости поляризации) отражательспециальной формы, непрозрачный для волн этой поляризации, совместно спараболоидом вращения образует профиль, формирующий веерную диаграммунаправленности в вертикальной плоскости.

Отраженныеот целей сигналы (СВЧ импульсы), принятые антенным блоком радиолокатора, поволноводному тракту через циркулятор и разрядник защиты приемника поступают насмеситель канала сигнала, куда подается также СВЧ сигнал от гетеродина. Послепреобразования частоты с выхода смесителя импульсы промежуточной частотыпоступают в предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) и затем восновной усилитель промежуточной частоты (УПЧ).

В ПУПЧ иУПЧ сигналы усиливаются и детектируются. Регулировка усиления приемного каналапо выбранному закону осуществляется узлом ВАРУ–РРУ, который запускаетсяодновременно с излучением СВЧ импульса. Кроме того, узел ВАРУ—РРУ обеспечиваетзапирание приемника на время действия мощного импульса магнетрона.

Схема АПЧслужит для поддержания постоянной разности частот магнетрона и гетеродина (промежуточнойчастоты). На смеситель АПЧ через предельный аттенюатор поступает часть СВЧэнергии магнетронного генератора. После преобразования на выходе смесителяобразуются импульсы промежуточной частоты, которые поступают на вход узла АПЧ.Узел АПЧ вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению промежуточной частотыот ее номинального значения. Этот сигнал воздействует на управляющий электродгетеродина.

С выходаУПЧ видеосигнал подается на вход видеоусилителя. Видеоусилитель при работе РЛСв режиме «Земля» имеет ступенчатую, в режиме «Метео» — линейную, а в режиме«Контур» — линейно-падающую амплитудные характеристики. В видеоусилителепроисходит усиление видеосигнала и смешивание его с калибрационными меткамидальности, вырабатываемыми синхронизатором. Кроме того, в видеоусилитель изсинхронизатора поступает импульс подсвета, обеспечивающий наблюдение сигналовна экране ЭЛТ только во время прямого хода развертки.

В режиме «Контур»видеоусилитель преобразует сигналы к виду, удобному для индикации опасных дляполетов зон, т. е. осуществляет выделение метеорологической информации.

Усиленныйвидеосигнал, смешанный с метками, поступает на ЭЛТ.

С помощью ключевоймостовой схемы развертки на экране ЭЛТ создается радиально-секторная разверткав координатах азимут—дальность. Модуляция по амплитуде линейно-нарастающихимпульсов тока схемы развертки происходит с частотой азимутального сканированияантенны с помощью вращающегося трансформатора (ВТ) развертки канала азимутальногопривода антенны.

Стабилизированныйвысоковольтный источник питания обеспечивает питание второго анода ЭЛТ. Питаниена остальные электроды ЭЛТ подается из узла питания трубки.

Модуляторприемопередатчика генерирует импульсы бланкирования и старт-импульс, синхронизирующиеработу индикаторного и приемного каналов РЛС. Старт-импульс формируется вмомент излучения СВЧ импульса в модуляторе и поступает на вход синхронизатораиндикаторного блока. Синхронизатор вырабатывает ключевой импульс управления разверткойи импульс подсвета, начало которых совпадает с моментом прихода старт-импульса.Кроме того, синхронизатор формирует калибрационные метки дальности, первая изкоторых совпадает с моментом излучения, т. е. соответствует нулю дальности.Старт-импульс запускает также узел ВАРУ—РРУ приемного устройства.

Схемаэлектромеханического управления антенной обеспечивает сканирование антенны поазимуту и совмещение оси диаграммы направленности с плоскостью горизонта (илизаданной плоскостью) при крене и тангаже самолета по каналу наклона.

Азимутальноесканирование осуществляется с помощью двигателя азимута и редуктора.

Решающий ВТ служитдля получения напряжения, амплитуда которого пропорциональна мгновенномузначению требуемого угла наклона луча. Это достигается запиткой обмоток ВТнапряжениями крена и тангажа с самолетной гировертикали черезпреобразующе-выравнивающие цепи блока стабилизации и управления. Снимаемое сроторной обмотки решающего ВТ напряжение поступает на входные цепи блокастабилизации и управления, где оно сравнивается с напряжением, пропорциональнымуглу наклона отражателя в данный момент, полученному с ВТ наклона. Суммарноепеременное напряжение поступает на вход магнитно-тиристорного усилителя УР-20,откуда подается на обмотку управления двигателя наклона, перемещающегоотражатель в плоскости наклона..

ВТ наклона являетсяне только датчиком истинного текущего угла наклона отражателя, но и служитприемником и системе дистанционной передачи ручного наклона, плоскостистабилизации. Сигнал ручного наклона поступает с ВТ механизма ручного наклонаин/>/>дикаторного блока.

6.Заключение

Вданной курсовой работе были отработаны навыки самостоятельного решенияинженерных задач, производился выбор и расчет тактико-технических характеристик(ТТХ) радиолокационной станции (РЛС), закреплялись вопросы соотношенияпараметров и принципы построения РЛС, используемых в гражданской авиации (ГА).Также рассматривалось влияние отдельных параметров и мешающих факторов (помех,условий распространения радиоволн) на показатели качества функционирования РЛС.

/>/>/>Сектор обзора в горизонтальной плоскости

D/>aобз

±100 0

Сектор обзора в вертикальной плоскости

Dbобз

35 0

Диаметр пятна ЭЛТ

dn

0,5мм

Максимальная дальность действия РЛС

Rmax

450·103м

Длительность импульса

tu

1,5Ч10-6c

Ширина ДНА в горизонтальной плоскости

q0,5

2,74 0

Вероятность правильного обнаружения

D

0,5

Вероятность ложной тревоги

F

10-9

Коэффициент шума

N

10dB

Диаметр экрана ЭЛТ

0,25м

Минимальная дальность действия РЛС

Rmin

306м

Разрешающая способность РЛС по дальности

D

1,755км

Разрешающая способность РЛС по азимуту на ср. дал.

Daр

3,380

Частота повторения зондирующих импульсов

Fn

277.778

Периодом обзора РЛС

Тобз

5 c

Потенциальная точность измерения дальности РЛС

Grn

24.805м

Потенциальная ошибка измерения азимута

Gan

0.285

Скорость вращения антенны

Ωa

40 град×c-1

Количество импульсов в пакете

Nu

20

Коэффициент различимости

mp

1,297

Чувствительность приемника равна

Pnmin

113,6 dB/мВт

Импульсная мощность излучения

Pu

480<sup/>×kВт

Средняя мощность излучения

Рср

226Вт

Полоса пропускания приемника

Df

8.059×105 Гц

Рабочая длинна волны

λ

3см

Коэффициент направленного действия антенны

DA

5490

Коэффициент усиления антенны

GA

5215

Эффективная площадь антенны

SA

0.448м2

7. Список использованнойлитературы:

1.      ФинкельштейнМ. Н. Основы радиолокации. – М.: Радио и связь, 1973, — 496 с.

2.      Современнаярадиолокация (Анализ, расчет и проектирование систем) / Под ред.Ю. Б. Кобзарева. – М.: Сов. радио, 1969, — 704 с.

3.      Соколов П. М.Теоретические основы радиолокации (Методические указания по курсовой работе длястудентов …).

4.      Яновский Ф.Й. Бортовые метеонавигационные радиолокаторы. Структура системы и особенностипостроения передающих устройств. – Киев. 1987, -.78с.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике