Загоризонтная РЛС (наземная)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по курсу

"Радиотехнические системы"

на тему:

«Загоризонтная РЛС (наземная)»

Введение

Радиолокационные системы представляют собой комплекс радиоэлектронных устройств, решающих задачи обнаружения различных объектов в пространстве и измерения их координат и параметров движения посредством приёма электромагнитных волн (ЭМВ), переизлучаемых или излучаемых объектами. Термин радар radar является аббревиатурой английских терминов radio detection and ranging-обнаружение и измерение дальности с помощью радио, что отражает основное назначение радиолокатора.

Наблюдаемые объекты принято называть целями. Для радиолокации целями являются самолёты, ракеты, корабли, наземные и космические объекты.

Радиолокационные станции относятся к системам извлечения информации.

Для извлечения информации необходимо произвести наблюдения в некоторой области пространства. Для этого используется радиолуч, направляемый РЛС в заданные точки пространства, что достигается за счёт сканирования луча.

1. Основные задачи, решаемые РЛС

1. Обнаружение целей, то есть обнаружение факта наличия сигнала, принятого от цели. Задача обнаружения возникает вследствие двух причин: из-за наличия шумов на входе РПрУ или внутренних тепловых шумов и, из-за малой интенсивности принимаемых сигналов. Мощность принимаемых полезных сигналов составляет Вт.

Задача обнаружения формулируется как задача проверки предположения (гипотезы) о наличии в наблюдаемом за время Т на входе приёмника напряжении сигнала против предположения, что сигнала в нём нет.

2. Измерение координат объектов, то есть определение пространственного положения и параметров движения.

К измеряемым координатам относятся: дальность до целей, углы, скорости и их производные.

Измерение координат производится путём оценки параметров принимаемых сигналов - задержки, частоты, а также фронта прихода радиоволны.

3. Разрешение объектов, то есть установление числа объектов в некотором малом объёме пространства, в частном случае объектов может быть всего два. Как правило, задача разрешения объектов решается совместно с задачами обнаружения и измерения координат.

4. Классификация объектов с целью установления их типов.

Поскольку радиолокационные системы работают в условиях действия шумов и помех, то все четыре задачи являются статистическими.

Радиолокация как область науки и техники появилась в 30-х годах. Развитие авиации потребовало усовершенствования средств воздушной разведки и наблюдения, поскольку оптические и акустические средства имеют ряд существенных недостатков, главный из которых ограниченная дальность действия.

2. Основные особенности проблем ЗГ радиолокации

В загоризонтной радиолокации для обнаружения целей, скрытых за линией горизонта, используется свойство радиоволн декаметрового диапазона отражаться от ионосферы. Для обеспечения распространения зондирующих сигналов с малым затуханием на дальности один, два и более скачков необходимо выбрать оптимальную рабочую частоту радиолокатора в зависимости от состояния ионосферы и дальности до цели. Параметры ионосферы (электронная концентрация, высоты слоев и др.) существенно изменяются по пространству и во времени. Поэтому для рабочих частот радиолокатора в сезонно-суточном цикле необходимо использовать практически весь декаметровый диапазон. В связи с этим основной особенностью ЗГ радиолокаторов является их диапазонность (отношение рабочих частот Fmax/Fmin вставляет 4…10 раз). Это создает существенные трудности в разработке антенных передающих и приемных устройств. Сложение мощности многих передатчиков в широком диапазоне частот с помощью фазированных антенных решеток и электронное управление диаграммами направленности передающей и приемной антенн в широком секторе обзора являются сложными научно-техническими задачами.

Радиолокатору приходится работать в сложных помеховых условиях, так как декаметровый диапазон сильно загружен сигналами различных радиостанций.

Кроме того, наряду с полезным сигналом в тракте приема всегда присутствуют мощные отражения от поверхности земли, являющиеся пассивной помехой, которая часто превышает полезный сигнал на 60 и более децибел.

Следует отметить также, что на начальных этапах ЗГ радиолокации полностью отсутствовали данные об эффективных отражающих поверхностях целей, особенно это относится к высотным ионизированным следам ракет.

Таким образом, для преодоления этих трудностей с целью успешного функционирования ЗГ локаторов необходимо решение целого ряда сложных научно - технических проблем. К ним относятся как традиционные радиолокационные проблемы, возникающие при создании широкодиапазонных высокопотенциальных радиолокаторов, работающих в сложных помеховых условиях, так и принципиально новые радиофизические проблемы, связанные с ионосферным распространением декаметровых радиоволн и отражением их от различных целей.

3. Принципы построения загоризонтной РЛС

Следует отметить, что ЗГ РЛС являются доплеровскими, т.е. используют для выделения полезных сигналов из помех доплеровское смешение частоты сигналов, отраженных движущимися целями. Станции, использующие принцип обратного рассеяния, вследствие значительных трудностей, связанных с обеспечением развязки между мощной передающей и высокочувствительной приемной системами, в большинстве случаев строят с разнесением на некоторое расстояние передающей и приемной систем (от десятков до одного - двух сотен километров).

Антенна должна иметь большой коэффициент усиления (20…30 дБ), перекрывать широкий диапазон частот (коэффициент перекрытия по частоте РЛС в целом составляет 5…6), обеспечивать быстрое сканирование в широком азимутальном секторе. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать излучение сигналов с большой мощностью (средняя мощность - несколько сотен киловатт).

Указанные требования определяют построение АФУ в виде фазированных решеток. Примерами ЗГ РЛС с антеннами, выполненными в виде фазированных решеток, является американский комплекс WARF.

Основным требованием к излучающим элементам, составляющим передающую антенную решетку, является постоянство входного сопротивления излучателя в диапазоне рабочих частот и в заданном секторе сканирования. Обеспечение этого требования с учетом взаимных связей излучателей в решетке представляет собой сложную инженерную задачу.

Станции работают в импульсно-доплеровском режиме. Диапазон рабочих частот 6…30 МГц.

Передающая система состоит из двух основных частей:

комплекса передающей аппаратуры

антенной системы.

Основными требованиями к комплексу передающей аппаратуры ЗГ РЛС, работающих в декаметровом диапазоне, в соответствии со сказанным выше являются:

большая ширина перекрываемого диапазона рабочих частот

высокий уровень мощности зондирующего сигнала

максимальная чистота спектрального состава при заданных видах модуляции формируемого в передающей аппаратуре зондирующего сигнала.

Передающий комплекс.

Комплекс передающей аппаратуры должен состоять из элементов, обеспечивающих выполнение указанных выше функциональных задач. В передающем комплексе информация о параметрах модуляции сигнала, о выбранной рабочей частоте и о требуемом фазовом распределении сигналов. От приемной системы поступают также сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы аппаратуры передающей и приемной систем. В исполнительных элементах комплекса производится формирование сигнала с заданной структурой и передача в соответствующие каналы усилителя мощности.

Система формирования зондирующего сигнала.

В одной из возможных систем построения аппаратуры формирования сигнала все сигналы формируются из одного и того же основного опорного сигнала, получаемого от специального высокостабильного генератора. Требуемая структура зондирующего сигнала формируется на относительно низком уровне мощности.

Канал усиления мощности.

Функциональными задачами аппаратуры каждого канала усиления мощности являются:

задание сигналу необходимой фазы в соответствии с требуемым фазовым распределением в раскрыве ФАР.

усиление сигнала до необходимого уровня при минимальных искажениях амплитудной и фазовой структур.

Аппаратура управления и синхронизации.

Эта аппаратура обеспечивает связь комплекса передающей аппаратуры с остальной аппаратурой станции и формирует необходимые управляющие сигналы в соответствии с установленной программой работы и информацией, поступающей от вычислительного комплекса.

Приемная система.

В одном из возможных вариантов построения приемной системы ЗГ РЛС в ее состав входят:

АФУ

приемные устройства трактов обнаружения, трактов определения оптимального поддиапазона рабочих частот и приемные устройства тракта выбора рабочего канала

вычислительный комплекс, состоящий из спецвычислителей и универсальных ЭВМ и обеспечивающий решение задач первичной обработки сигналов, обнаружения, определения оптимального поддиапазона и выбора рабочего канала на основе использования информации, поступающей от приемных устройств соответствующих трактов

аппаратура синхронизации, содержащая высокостабильный генератор сигнала опорной частоты и узел формирования сетки частот, необходимой для синхронизации и управления работой всей аппаратуры приемной позиции

аппаратура управления работой РЛС и индикации, обеспечивающая отображение необходимой информации об обнаруживаемых объектах и о техническом состоянии всей аппаратуры станции

аппаратура межпозиционной связи для обмена сигналами синхронизации и управления, а также информацией о техническом состоянии аппаратуры.

Тракт обнаружения.

Этот тракт является основным в РЛС и обеспечивает обнаружение объекта, глубоко скрытого за линией горизонта. Структура тракта, алгоритмы обработки и аппаратурное построение определяются назначением и характеристиками станции. Однако в любом варианте можно выделить некоторые основные особенности, присущие трактам обнаружения ЗГ РЛС:

работа тракта обнаружения одновременно на нескольких рабочих частотах, что обеспечивает уменьшение потерь информации, связанных с довольно резкой в декаметровом диапазоне зависимостью затухания электромагнитной энергии в процессе распространения от частоты

одновременный или квазиодновременный обзор зоны ответственности несколькими парциальными ДН, что приводит к многоканальности построения тракта обнаружения

введение в каждый из каналов тракта обнаружения для подавления пассивных помех специальной аппаратуры пространственной и спектрально-временной компенсации.

Устройство пространственной обработки.

Адаптивное формирование ДН приемной антенны в условиях наличия пространственно сосредоточенных источников помех является одним из важнейших средств увеличения отношения сигнал-помеха в тракте обнаружения. Суть пространственной обработки состоит в весовом суммировании сигналов, синхронно снимаемых с приемных каналов различных элементов антенной системы. Устройство спектрально-временной обработки.

Сигнал, поступающий на вход устройства спектрально-временной обработки, представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала, пассивной помехи и активной помехи. Характеристики полезного сигнала определяются типом лоцируемого объекта. При обнаружении сигнала с неизвестными параметрами должна производиться многоканальная обработка по частоте и времени путем реализации алгоритма для каждого элемента разрешения в заданной области. Вычислительный комплекс.

Этот комплекс должен обладать высокой производительностью и большим объемом оперативной и командной памяти, поскольку в нем осуществляется вторичная обработка информации, поступающей со всех основных трактов станции, а также решаются задачи контроля их работы, управления и документирования.

4. Прототипы

Загоризонтный радиолокатор WARF.

Система WARF (Wide Aperture Research Facility) развернута на полигоне в штате Калифорния (США) и предназначена для исследования методов построения ЗГ РЛС и входящих в их состав устройств. Эта система может быть использована для обнаружения самолетов и кораблей, для наблюдения за состоянием морской поверхности, а также для исследований ионосферы.

Особенности системы WARF.

Одной из основных особенностей системы является ее гигантская приемная антенная решетка общей длиной 2,5 км. Антенна образована двумя рядами из 256 несимметричных вертикальных вибраторов размером 5,5 м каждый, расположенными эквидистантно. Ряды вибраторов находятся на расстоянии 4,7 м друг от друга. Антенная решетка разбита на 8 секций.

Вибраторы связаны с общим центром обработки данных с помощью кабелей и коммутационных устройств. Антенная решетка имеет электронную перестройку в диапазоне частот 6…30 МГц. Коэффициент усиления приемной антенны составляет примерно 30 дБ. Радиолокатор отличается высоким разрешением по азимуту (0,5°), а также по дальности (1,5 км).

Выделение сигналов цели на фоне активных и пассивных помех осуществляется путем использования корреляционно-фильтровой обработки и методов доплеровской селекции.

Подавление помех, принимаемых не с главного направления, осуществляется применением адаптивного метода формирования ДН антенны.

Станция работает в режиме непрерывных колебаний ЛЧМ.

Передающая система состоит из устройств, обычных для систем с ЧМ. Внутренняя синхронизация обеспечивается передачей сигналов между пунктами приема и передачи по подземному кабелю.

Аппаратура приемной антенной решетки, имеющей общую длину 2,5 км, разбита на восемь 32-элементных подрешеток длиной по 320 м. Каждая из подрешеток подключена ко входу своего приемника. При этом в приемную систему входит восьмиканальное приемное устройство, каналы которого согласованы по фазе и величине усиления.

Приемники стабилизированы по фазе (0,5°) и коэффициенту усиления (0,5 дБ) и работают в диапазоне частот 3…30 МГц. В приемниках применена система АРУ, обеспечивающая регулирование в пределах до 100 дБ. Уровень собственных шумов не превышает 3 дБ.

Отраженный от цели сигнал с выхода приемника подается на аналого-цифровой преобразователь (11 бит + знак). Спектральный анализ этого сигнала осуществляется с помощью мини-ЭВМ. Обеспечение когерентности излучаемого сигнала от периода к периоду и проведение спектрального анализа (когерентного накопления) для большого числа периодов развертки позволяют получить значение доплеровского сдвига частоты для каждого элемента дальности.

Техническое задание:

Максимальная дальность Rmax=3000 км.

Угол обзора 90.

Разрешающая способность по дальности 10 км.

Разрешающая способность по азимуту 1.

Вероятность ложной тревоги Рл.т.р.=10^(-6)

Вероятность обнаружения Робн.=0,95.

5. Структурная схема ЗГ РЛС

Рассмотрим упрощенную структурную схему построения ЗГ РЛС. ЗГ РЛС состоит из передающей и приемной частей, включающих радиотехнические системы частотного обеспечения их работы.

Обычно в ЗГ РЛС полезный сигнал выделяется за счет наличия у него доплеровского смещения частоты. Поэтому чаще всего в ЗГ РЛС используются сигналы большой длительности,

радиолокационный обнаружение загоризонтный

Структурная схема ЗГ

Передающая часть (а): М1 - модуль частотного обеспечения, включающий передающую часть РТС зондирования (1) и антенну А1; A3 - многоэлементная передающая антенна; 2 - управляемое антенно-фидерное устройство; 3 - усилитель мощности; 4 - устройство управления и синхронизации; 5 - генератор сигналов специальной формы; 6 - эталон частоты и времени.

Приемная часть (б): М1 - модуль частотного обеспечения, включающий приемные части РТС зондирования (1), РТС ОЗ (2) и антенны А1; А2 - приемные антенны; 3 - управляемое антенно-фидерное устройство; 4 - РПУ; 5 - устройство управления и синхронизации; 6 - генератор сигналов специальной формы; 7 - эталон частоты и времени; 8 - устройство обнаружения; 9 - устройство пространственной обработки; 10 - устройство спектральной обработки; 11 - вычислительный комплекс с периферийным оборудованием имеющие частотную или фазовую модуляцию. Для обеспечения развязки между мощной передающей и высокочувствительной приемной системами в ЗГ РЛС, как правило, передающую и приемные части разносят на расстояние от десятков до 100-200 км.

Рассмотрим назначение и принцип построения основных частей ЗГ РЛС. Антенна должна иметь большой коэффициент усиления (20-30 дБ), перекрывать широкий диапазон частот (коэффициент перекрытия по частоте составляет 5-6 р, обеспечивать быстрое сканирование в широком секторе азимутов. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать излучение сигналов большой мощности (средняя мощность - несколько сотен кВт), т.е. обладать высокой электрической прочностью, т. к. затухание при распространении радиоволн в направлении объекта, подлежащего обнаружению, и обратно достигает весьма больших значений.

Для обеспечения большой мощности излучения обычно используется принцип пространственного суммирования. Для этих целей отдельные передатчики ЗГ РЛС работают на элементарные излучатели, образующие передающую антенную решетку. Их мощности излучения складываются в пространстве. Большие размеры облучаемой земной поверхности, использование двух и более несущих частот для перекрытия требуемого диапазона дальностей, значительное время наблюдения цели, для обеспечения выделения сигнала по эффекту Доплера, предъявляют требования уменьшения времени управления ДН передающей и приемной антенн. По этой причине в ЗГ РЛС используют одну передающую антенну с относительно широкой ДН и приемную фазированную антенную решетку (ФАР) с веерной ДН, суммарная ширина ДН которой равна ширине ДН передающей антенны.

ДН, формируемые АФУ, должны быть прижаты к линии горизонта, что обеспечивает максимальную дальность распространения сигнала в ДКМ диапазоне одним скачком.

Сканирование в азимутальной плоскости приемных ДН ФАР достигается путем использования специальных диаграммоформирующих схем (ДФС), подключаемых к элементарным излучателям антенной решетки. При этом путем коммутации линий задержки, входящих в ДФС, обеспечивается перемещение ДН по азимуту.

6. Расчет основных параметров

Расчет периода повторения импульсов производят из условия однозначного измерения целей на максимальной дальности.

S(t)

_c t

Tn

Tn - период повторения импульсов

_с - длительность одиночного импульса

,

где коэффициент 1.1 нужен для учета обратного хода развертки индикатора дальности (10%) от длительности прямого хода.

R_max - максимальная дальность действия

R_max = 2000 [км]

с = 310⁸ [м/с]

Определим частоту следования импульсов F_n:

[имп/с]

Выбор формы, ширины спектра и длительности зондирующего сигнала.

Ширину спектра зондирующего сигнала выбирают, исходя из требуемой разрешающей способности по дальности

где F_c - эффективная ширина спектра сигнала.



Fc = 0.15 [МГц]

Выберем сложный сигнал с базой 100 (Б=100) (радиоимпульсы с прямоугольной огибающей), для которого длительность:

ф_с = 6.671 * 10^-4 [c]

ф_с = 66.7 [мс] - длительность пачки

Найдем длительность одного импульса:

ф_с1 = 6.671 * 10^-6 [c]

Выбор ширины луча, формы диаграммы направленности и типа антенны РТС.

В ЗГ РЛС, измеряющей дальность и угла азимута, используют веерный луч.

Иb = 2°

Для стационарных наземных РЛС выберем размер апертуры как:

Диапазон ДКМ 3…30 МГц

Для точности рассчитаем две длины волны по формуле: л = 300/F (300 - скорость света в мегаметрах).

л 1 = 300/3 = 100 [м]

л 2 = 300/30 = 10 [м]

Для двух длин волн рассчитаем две апертуры:

2° = 0.035 [рад]

L_A1 = 100/0.035 = 2857.14 [м]

ДFc - эффективная ширина спектра

дFпер, дFпр - величины нестабильностей передатчика и приемника

?F - полоса УПЧ (линейного тракта). ?F = ?F_c

ф_c = 667 * 10^-6 [с]

?Fc = 1.007 * 10⁵ [Гц]

Для сигнала с линейной ЧМ оптимальная полоса

?F = ?F_с = Fдев.

Полосу линейного тракта нужно расширить с учетом нестабильностей передатчика и гетеродина приемника и доплеровского сдвига частоты сигнала. Для современных синтезаторов частоты РТС относительная нестабильность составляет не больше 10^-7.

Поэтому величины нестабильностей частоты у когерентных РЛС составляет малую часть полосы ?F: доли процента, причем

дFпер ? дFпр ? 10^-7 * ?F

?F = ?F_c

дF_пр = дF_пер = 1.007 * 10⁵ * 10^-7 = 0.01

Доплеровский сдвиг найдем по формуле:



Расчет требуемой мощности передатчика РТС и диаграммы видимости.

Рассчитаем требуемую импульсную мощность передатчика РЛС на основе уравнения дальности радиолокации.

,

выразим искомое:

где k = 1.38 * 10^-23 [с/K] - постоянная Больцмана;

Rmax = 2000 [км] - максимальная дальность объекта;

Ш = 10 - коэффициент шума приемника;

Т0 = 273 [К] - шумовая температура приемника;

у = 1 [м²] - ЭПР объекта

q1 = 62.609 - отношение сигнал-шум

Lп = 15 [дБ] - суммарный коэффициент потерь

Также учитываем потери в ионосфере 10 [дБ]. Следовательно, Lп = 25 дБ = 17.783 [раз].

Gа - коэффициент усиления антенны

Определим коэффициент усиления антенны G_A.

где S_A - эффективная площадь антенны, составляющая 90% от полной площади антенны.

з_А - КПД антенны, з_А =0.9

Для длины волны 10 м:

Pper = 35 [кВт]

Для длины волны 100 м:

Pper = 35 [МВт]

7. Формирователь ЛЧМ сигнала

Широко применяются в радиолокационных системах, имеют высокое разрешение по дальности и достаточную энергетику. Могут применяться и в связи.

Модель ЛЧМ сигнала имеет вид:

,

, (1)

где Fд - девиация частоты,

Т - длительность сигнала.

Значения выборок амплитуд и фаз хранятся в программируемом запоминающем устройстве.

В квадратурных каналах вычисляются значения косинусов и синусов фаз, и производится умножение на выборки амплитуд. Далее производится цифро-аналоговое преобразование.

Фазы вычисляются по формуле:

,

где Б - база сигнала,

N - число отсчётов фазы.

Посчитаем десять первых значений для фазы и занесем эти значения в таблицу.

Fдев = 1.499 * 10⁵ [Гц]

n*Дt (с)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
?c1 (град)	0	67	269	605	1076	1700	2420	3300	4302	5445

Список литературы

1. Сперанский В.С. Методические указания по выполнению курсовой работы по курсу Радиотехнические системы, часть I. - М.: 1990, 24 с.

2. Сперанский В.С. Радиолокация и радиолокационные системы. - М.: 2005, 150 с.

3. Дымова А.И., Альбац М.Е., Бонч-Бруевич А.М. радиотехнические системы. Под ред. А.И. Дымовой. Учебник для вузов. М.: «Сов. радио», 1975, 440 с.

4. Иванов В.А., Рябова Н.В., Шумаев В.В. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона, Йошкар-Ола, 1998

5. Алебастров В.А., Гойхман Э.Ш., Заморин И.М. и др.; Под ред. Колосова А.А. Основы загоризонтной радиолокации. - М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

Размещено на Allbest.ru