Обзорная РЛС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ПЕНЗЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «РТ и РЭС»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому  проекту по курсу:

«Радиотехнические системы»

на тему «Обзорная  РЛС»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. 09ЕР2

Моисеев А.В.

 

Проверил: Чайковский В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Пенза, 2013

 

 

Содержание:

 

 

 

 

1. Задание:

 

Необходимо рассчитать тактико-технические характеристики радиолокационной станции, используя нормы и рекомендации ICAO, государственные и международные стандарты, выбрать недостающие технические и тактические характеристики, обосновать их выбор, а также разработать структурную схему РЛС.

 

Исходные  данные:

 

• Период обзора ……………………………………………………………..Т_обз=5с
• Сектор обзора в горизонтальной плоскости,…………………………….Daобз = ±100⁰;
• Ширина ДНА РЛС в вертикальной плоскости,………………….………Db=35⁰;
• Диаметр пятна ЭЛТ, ………………………………………………………dn=0,5мм;
• Максимальная дальность действия РЛС,…………………………………R_max = 400·10³м;
• Длительность импульса,…………………………………………………...tu = 1,5×10^-6c;
• Ширина ДНА в горизонтальной плоскости,……………………………..q = 3°;
• Вероятность правильного обнаружения,…………………………………D = 0,5;
• Вероятность ложной тревоги,……………………………………………..F = 10^-9;
• Коэффициент шума,.……………………………………………………….Nш = 10dB;
• Эффективная отражающая поверхность цели,…………………………..Sэф = 40м²;
• Диаметр экрана ЭЛТ,………………………………………………………Dэ = 0,25м.

ДНА – диаграмма направленности антенны.

2. Введение

 

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

Информация, получаемая в процессе радиолокационного наблюдения, называется радиолокационной. Радиотехнические устройства радиолокационного наблюдения называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются радиолокационными целями или просто целями. При использовании отраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородности электрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемостей, проводимости), в которой распространяется первичная волна. Сюда относятся летательные аппараты (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 военные объекты и т. п. Особым видом радиолокационных целей являются астрономические объекты.

Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. В зависимости от способов его получения различают следующие виды радиолокационного наблюдения.

1. Радиолокация с пассивным ответом, основанная на том, что излучаемые РЛС колебания – зондирующий сигнал – отражаются от цели и попадают в приемник РЛС в виде отраженного сигнала. Такой вид наблюдения иногда называют также активной радиолокацией с пассивным ответом.
2. Радиолокация с активным ответом, именуемая активной радиолокацией с активным ответом, характеризуется тем, что ответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специального ответчика – ретранслятора. При этом заметно повышается дальность и контрастность радиолокационного наблюдения.
3. Пассивная радиолокация основана на приеме собственного радиоизлучения целей, преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Если зондирующий сигнал в двух предыдущих случаях может быть использован как опорный, что обеспечивает принципиальную возможность измерения дальность и скорости, то в данном случае такая возможность отсутствует.

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

Большинство РЛС с  импульсной модуляцией имеет одну антенну, снабженную специальным антенным переключателем для перехода из режима передачи в режим приема и наоборот.

Передатчик РЛС вырабатывает высокочастотные колебания, которые  модулируются по амплитуде, частоте  или фазе иногда весьма сложным образом. Эти колебания подаются в антенное устройство и образуют зондирующий сигнал. Наибольшее применение находит зондирующий сигнал в виде последовательности равноотстоящих по времени коротких радиоимпульсов. Наряду с простыми радиоимпульсами может применяться внутриимпульсная частотная модуляция и фазовая манипуляция. Другим видом зондирующего сигнала является непрерывный. Здесь наряду с незатухающими гармоническими колебаниями могут использоваться частотно-модулированные и др.

Излучаемые колебания  нельзя считать радиолокационным сигналом, так как они никакой информации о цели не несут. После того, как электромагнитная волна, падающая на цель, вызывает в ее теле вынужденные колебания электрических зарядов, цель, подобно обычной антенне создает свое электромагнитное поле. Это поле в дальней зоне представляет собой вторичную, то есть отраженную волну, создающую в РЛС радиолокационный сигнал, который является носителем информации о цели. Так амплитуда сигнала в определенной степени характеризует размеры и отражающие свойства цели, время запаздывания относительно начала излучения зондирующего сигнала используется для измерения дальности, а частота колебаний благодаря эффекту Доплера несет информацию о радиальной скорости цели. Поляризационные параметры отраженной волны могут также быть использованы для оценки свойств цели. Наконец, направление прихода отраженной волны содержит информацию об угловых координатах цели.

Приемник РЛС необходим  для оптимального выделения полезного  сигнала из помех (так называемая первичная обработка сигнала). Оконечное (выходное) устройство служит для представления радиолокационной информации в нужной потребителю форме. Если потребителем является человек-оператор, то используется визуальная индикация. Для потребителя в виде вычислительного устройства непрерывного действия оконечным является устройство автоматического сопровождения цели по измеряемому параметру (дальность, угловые координаты, скорость), и полезная информация выдается в виде напряжений или токов, функционально связанных с этими параметрами. Если же оконечным устройством является ЭВМ, то радиолокационная информация преобразовывается в двоичный код. При этом в ЭВМ происходит дальнейшая, так называемая вторичная обработка сигнала.

Важной составной частью радиолокационного канала, как и  любого радиоканала, являются радиопомехи. Внутренние шумы вызывают подавление полезного сигнала, а также появление ложного сигнала и вносят ошибки в измерение координаты. Наряду с этим флуктуации скорости распространения радиоволн в атмосфере, а также случайное изменение их траектории вследствие рефракции следует рассматривать как помехи. Такое же действие оказывают пассивные помехи – источники ложных отражений (например, отражения от земной поверхности при наблюдении целей). Другим источником помех являются флуктуации центра масс движущейся цели относительно траектории движения. Источники мешающих радиоизлучений образуют активные помехи (против РЛС военного назначения могут специально создаваться организованные активные помехи, возможны также организованные пассивные помехи).

В условиях большой насыщенности радиосредствами заметное влияние могут оказывать активные взаимные помехи.

Главные этапы радиолокационного  наблюдения – это обнаружение, измерение, разрешение и распознавание.

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

Измерение позволяет оценить координаты целей и параметры их движения с допустимыми погрешностями.

 Разрешение заключается в выполнении задач обнаружения и измерения координат одной цели при наличии других, близко расположенных по дальности, скорости и т. д. Наконец

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

Радиолокационная информация, поступающая от РЛС, транслируется по радиоканалу или по кабелю на пункт управления. Процесс слежения РЛС за отдельными целями автоматизирован и осуществляется с помощью ЭВМ.

Навигация самолетов  по трассе обеспечивается посредством  таких же РЛС, которые применяются  в УВД. Они используются как для контроля выдерживания заданной трассы, так и для определения местоположения в процессе полета.

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

В гражданской авиации  используют также ряд бортовых радиолокационных устройств. Сюда, прежде всего, относится ботовая РЛС для обнаружения опасных метеообразований и препятствий. Обычно она же служит для обзора земли с целью обеспечения возможности автономной навигации по характерным наземным радиолокационным ориентирам.

3. Обоснование, выбор  и расчет тактико-технических  характеристик радиолокационной  станции

3.1. Обоснование, выбор и расчет тактических характеристик РЛС

3.1.1. Максимальная дальность действия R_max

Максимальная дальность  действия задается тактическими требованиями и зависит от многих технических  характеристик РЛС, условий распространения  радиоволн и характеристик целей, которые в реальных условиях использования станций подвержены случайным изменениям. Поэтому максимальная дальность действия является вероятностной характеристикой.

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

        (1)

где:

Pu - мощность излучения;

Da - коэффициент направленного  действия антенны;

Sa - эффективная площадь  антенны;

Sэф - эффективная отражающая поверхность цели;

Pnmin - чувствительность  приемника.

Максимальная дальность действия РЛС задана в условии и равна:

R_max = 450·10³ м.

3.1.2. Минимальная дальность действия РЛС R_min

Минимальная дальность  обнаружения станции зависит  от пределов работы антенной системы по углу места. Она различна для разных частот и определяет величину мертвой зоны. В наземных РЛС при малых углах места реальное значение R_min ограничивается влиянием местных предметов, определяющих углы закрытия, которые, в свою очередь, ограничивают возможность наблюдения низколетящих целей.

Если антенная система не вносит ограничений, то минимальная дальность  действия РЛС определяется длительностью  импульса tu и временем 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 волны в вакууме, c = 3∙10⁸ м×c^-1;

τ_b- время восстановления антенного переключателя, tb = 0.2×tu.

3.1.3. Разрешающая способность РЛС по дальности DR

Разрешающая способность  по дальности - минимальная дальность  между двумя целями, имеющими угловые одинаковые координаты, при которой метки от них на экране индикатора видны раздельно.

Потенциальная разрешающая способность по дальности вычисляется по формуле:

         (3)

Для определения реальной разрешающей  способности по дальности необходимо учесть параметры ЭЛТ индикатора:

        (4)

где:

dn - диаметр пятна, dn = 0.5мм = 5.0×10^-4 м;

L - длина развертки.

        0.15×м

где:

Dэ - диаметр ЭЛТ, Dэ = 0.25 м.

Но, т.к. мы имеем секторную  развёртку с сектором обзора по азимуту Daобз = ±100°, смещаем центр экрана вниз, что увеличивает коэффициент использования экрана.

Реальная разрешающая  способность по дальности будет  иметь вид:

     1.755×10³ м

3.1.4. Разрешающая способность РЛС по азимуту Da на средней дальности.

Разрешающая способность  по азимуту определяется выражением:

          (5)

где:

q - ширина диаграммы направленности по половинной мощности в горизонтальной плоскости;

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

    3.38×⁰

3.1.5. Период обзора Т_обз.

Периодом обзора РЛС Т_обз называется интервал времени, необходимый для облучения всех точек зоны обзора станции, и определяется выражением:

         (6)

где:

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

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

Fn – частота повторения  зондирующих импульсов;

q - ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Частота повторения зондирующих  импульсов определяется по формуле:

         (7)

где:

Кз – коэффициент  запаса, учитывающий влияние индикатора, Кз = 1,2.

       277.778×Гц

       5×c

3.1.6. Разрешающая способность по углу места.

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

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

3.1.7. Секторы обзора по азимуту Daобз и по углу места Dbобз.

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

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

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

3.1.8. Точность определения координат по дальности Grn.

Точность определения  дальности зависит от точности измерения запаздывания отраженного сигнала, ошибок из-за неоптимальности обработки сигнала, от наличия неучтенных запаздываний сигнала в трактах передачи, приема и индикации, от случайных ошибок измерения дальности в индикаторных устройствах.

Ошибки в индикаторных устройствах обуславливаются нестабильностью масштабных меток и ошибками считывания.

Потенциальная точность измерения дальности РЛС вычисляется  по формуле:

         (8)

где:

tu – длительность импульса;

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

Из-за отсутствия внутриимпульсной модуляции Ксж=1.

      24.805×м

 

3.1.9. Точность определения координат по азимуту Gan.

Систематические ошибки при измерении азимута могут  возникнуть при неточном ориентировании антенной системы РЛС и вследствие несоответствия между положением антенны  и масштабной электрической шкалой азимута.

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

Потенциальная ошибка измерения  азимута определяется выражением:          (9)

0.285

3.1.10. Вероятность правильного обнаружения D:

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

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

3.1.11. Вероятность ложной тревоги F.

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

Вероятность ложной тревоги  задана в техническом задании  и равна F = 10^-9.

3.2. Обоснование, выбор и расчет технических характеристик РЛС

3.2.1. Режим работы РЛС.

Проектируемая радиолокационная станция работает в импульсном режиме. Сигнал – некогерентные прямоугольные  импульсы.

3.2.2. Рабочая длина волны l.

Диапазон волн, применяемый  в радиолокационной технике, лежит  в области метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. От длины волны РЛС зависят размеры антенной системы при требуемых значениях диаграммы направленности и коэффициента направленного действия антенны. Применение более коротких волн при тех же размерах антенны позволяет улучшить разрешающую способность и точность отсчета угловых координат. При выборе длины волны необходимо учитывать поглощающие и рассеивающие действия гидрометеоров и атмосферы, возможность получения необходимой мощности от передатчика и обеспечения требуемой чувствительности приемника.

В диапазонах сантиметровых  и особенно миллиметровых волн интенсивное  поглощение электромагнитных колебаний вызывает нежелательное уменьшение дальности действия станции. Кроме того, гидрометеоры в этих диапазонах могут являться источником интенсивного отражения, затрудняющего и полностью исключающего наблюдение целей.

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

Так, например, РЛС дальнего обнаружения, от которой не требуется очень высокой разрешающей способности и большой точности измерения угловых координат, может работать в диапазоне дециметровых или даже метровых волн.

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

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

3.2.3. Частота повторения зондирующих импульсов Fn.

Для однозначного определения  целей на заданных расстояниях максимальная частота повторения Fn зондирующих импульсов должна удовлетворять условию:

        (10)

где:

Кз=1,2 – коэффициент  запаса.

277.778×Гц

3.2.4. Длительность зондирующего импульса tu.

Основным соображением по выбору длительности импульса является обеспечение заданной разрешающей способности по дальности. От длительности импульса также зависит минимальная дальность действия R_min. Уменьшение длительности импульсов приводит к уменьшению эффективной площади от распределенных объектов.

 

Длительность зондирующего импульса задана в условии и равна: tu = 1,7×10^-6 c.

3.2.5. Форма и ширина диаграммы направленности.

При выборе формы диаграммы направленности необходимо учитывать следующие  требования:

• наиболее целесообразное использование мощности излучения (пример косекансной диаграммы направленности);
• обеспечение требуемой разрешающей способности по угловым координатам и точности их определения;
• обзор установленного сектора пространства или участка поверхности в заданное время должен производиться без пропуска в приеме отраженных сигналов.

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

Для удобства обычно рассматривают  отдельно диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и диаграмму направленности в вертикальной плоскости. При этом обращают внимание на ширину диаграммы направленности q.

Ширина диаграммы направленности антенны влияет на дальность радиолокационного наблюдения. По мере сужения диаграммы направленности антенны увеличивается ее коэффициент направленного действия и соответственно возрастает максимальная дальность действия РЛС.

Точность измерения  угловых координат также зависит  от ширины диаграммы направленности в плоскости пеленгования. С ростом ширины диаграммы ошибка увеличивается. При выборе величины q необходимо учитывать требования в отношении разрешающей способности по направлению Da. Чем шире диаграмма направленности, тем труднее наблюдать цели, находящиеся на близком расстоянии.

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

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости равна:

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

q0,5=q/1.5=2⁰

3.2.6. Необходимый диаметр антенны

     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 – эффективная площадь антенны;

η – КПД антенны.

3.2.8. Скорость вращения антенны Ω_а..

Скорость вращения антенны  выбирают с учетом требований в отношении  сокращения времени обзора и надежности наблюдения сигналов.

При заданных значениях  ширины диаграммы направленности q, частоты следования импульсов Fn и сектора обзора Daобз скорость 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 ширины диаграммы  направленности в горизонтальной плоскости q, скорости вращения антенны W и частоты следования зондирующих импульсов Fn:

         (13)

20

3.2.10. Чувствительность приемника Pnmin.

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

• оптимальная фильтрация каждого импульса пакета;
• амплитудное детектирование;
• синхронное интегрирование видеосигналов;
• испытание суммарного сигнала на порог.

Первые две операции обычно выполняет приемное устройство, а остальные – выходное. Применение оптимальной обработки сигналов приводит к уменьшению пороговой мощности. Под пороговой мощностью радиолокационных сигналов понимают минимальную мощность сигнала на его входе, при которой обеспечивается прием и обнаружение отраженных сигналов с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.

Величина пороговой  мощности радиолокационных сигналов зависит  от заданных значений вероятностей правильного  обнаружения D и ложной тревоги F, параметров радиолокационных сигналов, времени наблюдения и вида обработки радиолокационных сигналов.

Пороговая мощность является реальной чувствительностью приемника. Она определяется выражением:

 

       (14)

где:

k – постоянная Больцмана, k = 1.380662×10^-23J×K^-1;