Расчет и обоснование технических характеристик импульсной некогерентной локационной системы

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  АВИАЦИОННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра аэронавигационных систем 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 

По дисциплине «Теория радиолокационных систем» 

Тема: Расчет и обоснование технических характеристик импульсной 

некогерентной локационной системы 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы РС-407  

Васильев И. А.  

  Дата: «___»___ 2009 

Руководитель: Доцент И.В. Чекед 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Киев 2010 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАДАНИЕ

НА  ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

студента  Васильева И. А. 
 

Тема  курсовой работы: Расчет и обоснование технических характеристик импульсной некогерентной локационной системы

1. Срок выполнения работы: с 11.09.2010 г. по 01.12.2010 г.;
2. Исходные данные к работе:

         - ЭОП цели……………………………………………………………5 м² ;

         - диапазон волн…………………………………………………..……...С;

         - максимальная дальность действия  ЛС R_max……………………..50 км;

         - минимальная дальность действия  ЛС R_min………………………300 м;

         - вероятность правильного обнаружения  D………………………...0,95;

         - вероятность ложной тревоги F……………………………………..10^-6;

         - разрешающая способность по  дальности ΔR…………………...300 м;

         - разрешающая способность по азимуту Δα…………………………..3⁰;

         - разрешающая способность по  углу места Δβ……………………...60⁰;

         - зона обзора РЛС по азимуту α_обз…………………………………..360⁰;

         - зона обзора РЛС по азимуту  β_обз……………………………………80⁰;

         - период обзора Т_обз…………………………………………………..12 с;

         - потенциальная точность измерения  дальности σ_R……………...150 м;

         - потенциальная точность измерения азимута σ_α……………………..3⁰.

      3.  Этапы работы:  

         - формулирование задачи, что решается  в работе;

         - выбор и обоснование тактических  характеристик системы, которые  не                                           

           указаны в задании;

         - расчеты, обоснование и выбор  технических характеристик системы;

         - анализ возможных вариантов  структурной схемы и выбор                     

            приемлемого варианта;

         - выводы по работе.

      4.  Перечень обязательного графического материала:

         - структурная схема разработанной  локационной системы с   

           необходимой детализацией ключевых  устройств.

5. Задание выдал ___________________________ (  _______________  )

                                                                                    «___»____________2010г.

6. Задание принял к выполнению _______________________________

Курсовая  работа защищенная с оценкой ___________________________

Глава комиссии_________________________________________01.12.2010г.

Члены комиссии___________________________________________________ 

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.

     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. Если зондирующий сигнал в двух предыдущих случаях может быть использован как опорный, что обеспечивает принципиальную возможность измерения дальности и скорости, то в данном случае такая возможность отсутствует. С помощью теплового радиоизлучения в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах можно решать такие задачи: определение влажности почвы, ледовая разведка, а также некоторые навигационные задачи (например, измерение путевой скорости).

     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 гармоническими колебаниями могут использоваться частотно-модулированные и др.

     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 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 дискретного действия (или современной ЭВМ) используется радиолокационная информация, преобразованная в двоичный код. При этом в ЭВМ происходит дальнейшая, так называемая вторичная обработка сигнала.

     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..

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

          В курсовой работе необходимо рассчитать и обосновать необходимые технические параметры радиолокатора, которые обеспечивают указанные тактические (эксплуатационные) характеристики, в том числе выбрать несущую частоту с заданного диапазона волн.

          Обосновать и разработать функциональную схему радиолокатора и определить основные требования к функциональным узлам станции с приблизительным учетом энергетических потерь.

          Обосновать тип антенны радиолокатора  и ее основные параметры, включая  основную диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и уровень боковых лепестков, размеры, тип сканирования.       
 

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ  ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЛС 

1.1. Рабочая длина  волны

     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.

          В задании на курсовую работу  указан диапазон частот C (3,4 – 7,075 ГГц). Задаемся несущей частотой f_нес = 3 ГГц.

          Длина волны λ равна:

          где С – скорость распространения электромагнитной волны. 
 
 

1.2. Форма и ширина диаграммы направленности

          Исходя из требуемой разрешающей способности по угловым координатам Δα и Δβ можно найти ширину диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.  

          Δα – разрешающая способность по азимуту;

          Δβ – разрешающая способность по углу места;

           γ – коэффициент ухудшения разрешающей способности;

           θ_α – ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости;

           Коэффициент ухудшения разрешающей способности можно принять равным 1.2 – 1.5. Принимаем γ = 1.3

            При выборе формы диаграммы направленности необходимо учитывать следующие требования:

             -  наиболее целесообразное использование мощности излучения;

             - 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.

             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 qq необходимо учитывать требования в отношении разрешающей способности по направлению DDaa. 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.

               Исходя из расчета можно сделать  вывод, что диаграмма направленности имеет игольчатую форму. 

1.3. Необходимый диаметр антенны

               Для наиболее распространенных  в настоящие время зеркальных  антенн приближенно выполняется  соотношение:

               λ – длина волны;

               dа – линейный размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости.

1.4. Коэффициент направленного  действия и усиления  антенны, эффективная  площадь антенны

              Коэффициент направленного действия антенны Д_а вычисляется по формуле:

              Коэффициент усиления антенны  G_а связан с коэффициентом направленного действия через КПД антенны и находится по формуле:

              – коэффициент полезного действия антенны.

              КПД антенны выбирается в пределах от 0.90 до 0.95. Пусть в нашем случае , тогда

         Эффективная площадь антенны S_а находится по формуле:

1.5. Разрешающая способность индикатора по дальности

              Величина разрешающей способности индикатора по дальности ΔR_инд  определяется конструкцией индикаторного устройства. Для индикаторов с яркостной индикацией на электронно-лучевой трубке величина ΔR_инд определяется качеством фокусировки и масштабом дальности:

              d_п – диаметр фокусировки пятна;

              d_э – диаметр экрана;

              k_э – коэффициент использования экрана;

              R_шк – предельное значение шкалы дальности.

              Коэффициент использования экрана  для индикатора кругового обзора  приближается к 0.5

              Отношение  называется качеством фокусировки трубки, которое для ЭЛТ с магнитным управлением принимает значения от 300 до 450.

              Выбираем приемлемые шкалы дальности  и оцениваем разрешающую способность  индикатора, принимая: Q_ф = 450 и k_э = 0.5.

              Следует отметить, что максимальное значение шкалы должно составлять от 100 до 150% от максимальной дальности обнаружения R_max.

Результаты сводим в таблицу 1.1.

                                                                                                         Таблица 1.1

Оценка  разрешающей способности индикатора на разных масштабах

1.6. Длительность зондирующего импульса

      Длительность  излучаемых импульсов τ_и влияет на энергию излучаемых колебаний и на разрешающую способность по дальности, а также на точность измерения дальности. Расчет длительности импульсов можно проводить, исходя из разрешающей способности  ΔR, по формуле:

              γ_R – коэффициент ухудшения разрешающей способности, который может изменяться в широких пределах (от 1.2 до 6);

             ΔR – разрешающая способность по дальности.

             Находим длительность импульса  для обеспечения реальной разрешающей  способности на среднем масштабе 30 км.

             Принимаем с некоторым запасом  

1.7. Частота повторения  зондирующих импульсов

      Частота повторения зондирующих импульсов  F_п определяется из условия однозначного определения дальности до объектов на всей заданной максимальной дистанции:

      R_max – максимальная дальность действия ЛС.

1.8. Скорость вращения  антенны

              Угловая скорость вращения антенны Ω_а влияет на время обзора заданной зоны и на количество импульсов, отражающихся от цели за один обзор. Практически она определяется заданными тактическими характеристиками – зоной обзора в плоскости сканирования и временем обзора:

              α_обз – зона обзора РЛС по азимуту;

              Т_обз – период обзора.

1.9. Ширина полосы  пропускания приемника

              Ширина полосы пропускания селективных цепей приемника Δf влияет на соотношение сигнал/шум на выходе приемника, а также на степень искажения формы сигнала. Если нет особых требований к точности воспроизведения формы сигнала, то величина Δf  выбирается близкой к оптимальной с точки зрения максимизации отношения сигнал/шум:

              – величина порядка единицы, зависящая от формы входного сигнала и характеристики фильтра. Если форма АЧХ прямоугольная, то оптимальное значение .

1.10. Требуемое отношение  сигнал/шум

              Требуемое отношение сигнал/шум q находят при условии оптимальной обработки одиночного импульса из кривых обнаружения для заданных значений вероятностей правильного обнаружения D и ложной тревоги F. Необходимо иметь в виду, что кривые обнаружения, построенные для различных видов сигналов, могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому важно воспользоваться данными, наиболее соответствующими характеру принимаемого сигнала. Типичными считаются две модели сигнала:

              - медленно флуктуирующий сигнал, когда отраженные от цели импульсы  за какой-либо один период обзора имеют постоянную амплитуду в течении всего обзора, но независимы (некоррелированы) от обзора к обзору;

              - быстро флуктуирующий сигнал, когда  отраженные от цели импульсы  некоррелированы от импульса  к импульсу, а не от обзора  к обзору.

              Эти две модели являются предельными  случаями (либо полная корреляция  между импульсами при любом  данном обзоре, либо полная независимость  между ними). Реальный характер поведения отраженных импульсов соответствует промежуточному состоянию между этими двумя моделями и импульсы частично коррелированны. Для одиночных флуктуирующих целей (самолет, корабль и др.) обычно больше подходит первая модель. При радиолокации объекта, состоящего из отдельных быстро и хаотически перемещающихся рассеивателей (облако), может оказаться более приемлемой вторая модель. Чем выше степень корреляции между импульсами, тем выше должно быть отношение сигнал/шум на импульс для получения заданных вероятностей D и F. Результаты расчетов для второй модели при числе интегрируемых импульсов, больше 10, очень близки к результатам для нефлуктуирующих сигналов. В таблице 1.2 приведены округленные значения требуемого отношения сигнал/шум (на один импульс) в зависимости от заданных вероятностей для нефлуктуирующих и медленно флуктуирующих сигналов.

                                                                                                                 Таблица 1.2

Отношение сигнал/шум в зависимости от вероятностей правильного обнаружения D и ложной тревоги F для двух типов сигналов