Радиотехнические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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.

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.

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.

Разрешающая способность радиолокационной системы (РЛС) -- это минимально возможное смещение цели относительно другой цели по соответствующей координате (при одинаковых значениях всех других координат), при котором возможно раздельное их наблюдение и измерение координат и параметров движения.

Выделим в зоне обзора четыре соседних элементарных объема 1, 2, 3, 4 (рис. 1), в каждом из которых находится одна точечная цель. Элементы 1 и 2 имеют одинаковые угловые координаты, но отличаются по дальности на величину ДД, элементы 1, 3 отличаются только по азимуту на Дб и 1,4 -- только по углу места на Дв, причем все цели наблюдаются раздельно. Будем сокращать каждую из величин ДД, Дб, Дв до тех пор, пока раздельное наблюдение целей станет невозможным. Тогда объем 1 и будет разрешаемым объемом и его элементами ДД мин, Дб мин, Дв мин оценивается разрешающая способность станции по дальности, азимуту и по углу места.

Рис. 1

Разрешающая способность по дальности оценивается минимальным расстоянием ДД мин между двумя находящимися на одном направлении целями, при котором эти цели наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по азимуту оценивается минимальной разностью азимутов Дб мин двух целей с одинаковыми дальностью и углом места, при которой эти цели еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по углу места оценивается минимальной разностью углов места Дв мин двух целей с одинаковыми дальностью и азимутом, при которой эти цели, еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по скорости оценивается минимальной разностью радиальных скоростей Дv дмин двух целей с одинаковыми координатами Д, б, в, при которой эти цели еще наблюдаются раздельно. В принципе достаточно разрешения целей по одной координате или по скорости.

Таким образом, разрешающая способность РЛС является тактической характеристикой, определяющей возможности РЛС разделять близко расположенные объекты и их элементы при их зондировании.

Разрешающая способность по дальности

радиолокационный наблюдение информация система

Разрешающая способность по дальности - это способность РЛС показывать на экране в виде отдельных меток эхосигналы от двух близких целей, находящихся на одинаковом пеленге относительно РЛС. Она определяется только длительностью импульса. Например, при длительности импульса 0,08 мкс разрешающая способность выше 40 м.

Тестовые цели, которые используются для определения разрешающей способности по азимуту и дальности, представляют собой радиолокационные отражатели с площадью отражения 10 м2.

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:

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

где:

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

L - длина развертки.

0.15м

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:

1.75510³ м

Разрешающая способность по азимуту

Разрешающая способность по азимуту - это способность РЛС показывать на экране в виде отдельных меток эхосигналы от двух близких целей, находящихся на одинаковом удалении от РЛС. Она пропорциональна длине антенны и обратно пропорционально длине волны. Длина излучателя антенны должна обеспечивать разрешение по азимуту лучше, чем 2,5є (требования резолюции IMO). Для Х-диапазона обычно это условие выполняется при длине излучателя не менее 1,2 м (4 фута). Для РЛС, работающей в S-диапазоне, необходимая длина излучателя составляет не менее 3,6 м (12 футов).

Разрешающая способность по азимуту определяется выражением:

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.

3.38⁰

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.

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

сектор обзора по азимуту равен: Da обз = ±100°;

сектор обзора по углу места равен: Db обз = 35°.

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:

где:

tu - длительность импульса;

Рис. 2 Характеристики обнаружения когерентного приемника для сигнала со случайной начальной фазой

qmin - минимальное отношение сигнал-шум по напряжению, определяемое по характеристикам обнаружения (Рис.2) qmin=5.8

Из-за отсутствия внутриимпульсной модуляции Ксж=1.

24.805м

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:

0.285

Разрешающая способность по скорости

Одним из способов оценки разрешающих способностей по скорости и по дальности является вычисление функции неопределенности:

Формула представляет собой корреляции исходного сигнала, с такими же сигналами, имеющими доплеровский сдвиг по частоте на н. Однако, если сигнал является широкополосным, необходимо учитывать, что спектр не только сдвигается, но и растягивается. Поэтому формулу необходимо модифицировать. При этом, можно сразу же учесть ту специфику, что сигнал распространяется в воде со определенной скоростью c и перевести временную задержку ф в расстояние и рассматривать зависимость от скорости, а не от частотных сдвигов.

С учетом этих изменений формула для функции неопределенности примет вид:

,

_ где r - расстояние от отражателя, пересчитанное из временной задержки ф по формуле (с заменой ф вместо ф₀), г(v) - доплеровский коэффициент сжатия, зависящий от скорости, вычисляемый по формуле, v - скорость сближения цели с неподвижным носителем, Е - энергия сигнала, вычисляемая по формуле:

.

Функция неопределенности достигает своего абсолютного максимума, равного единице, при нулевых значениях аргументов, поскольку г(0) = 1 и при ф = 0, r(0) = 0. Численными оценками разрешающих способностей могут служить размеры области в окрестности нуля, вне которой значения функция неопределенности не превосходят 0,5 - область высокой корреляции (ОВК). Границу же этой области, задаваемую условием ч(r, v) = 0,5, можно называть диаграммой неопределенности. Таким образом, разрешающая способность по расстоянию _ протяженность диаграммы неопределенности вдоль оси расстояния, и разрешающая способность по скорости _ протяженность диаграммы неопределенности вдоль оси скорости.

На рисунке 3 в качестве примеров показаны области высокой корреляции для гидроакустических сигналов в форме радиоимпульсов различных длительностей с частотой заполнения 2 кГц. Приведенные примеры демонстрируют, что разрешающие способности напрямую связаны с длительностью сигнала: чем импульс короче, тем выше его разрешающая способность по дальности и меньше по скорости. поскольку чем короче импульс, тем шире его спектр. Важно отметить, что площадь ОВК не зависит от длительности сигнала, и является характеристикой именно типа сигнала.

Рисунок 3 ОВК радиоимпульсов различной длительности

Более высокими разрешающими способностями (по сравнению с радиоимпульсами) обладают сложные сигналы, такие как линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы и частотно-манипулированные сигналы, частота которых выбирается в соответствии с последовательностью Костаса. На рисунках 4 и 5 слева приведены частотно-временные спектры (ЧВС) примеров таких сигналов, а справа - их ОВК.

Рисунок 4 ЧВС ЛЧМ сигнала (слева) и его ОВК (справа)

Рисунок 5 ЧВС сигнала Костас-60 (слева) и его ОВК (справа)

Список используемых источников

1. http://www.ssau.ru/files/education/uch_posob/%D0%9E%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B%20%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B8-%D0%A8%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%B2%20%D0%AE%D0%A4.pdf.

2. https://mipt.ru/education/chair/military/upload/231/f_4rgtul-arph8iq2e90.pdf.

Размещено на Allbest.ru