48702

Гломестный канал (УМК) наземного фазового моноимпульсного радиолокатора (РЛ) дальнего обнаружения объектов с ЭПР

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчёт параметров сигнала. Параметры РЛ: дальность действия от соответствующей длительности импульса зондирующего сигнала до где длительность прямой видимости при высоте цели сектор обзора по углу места при разрешающей способности по углу. При расстоянии до цели погрешность измерения угла места не должна превышать заданного значения при коэффициенте шума приемника равном 3 и потерях энергии сигнала по высокой частоте и при обработке. 2 Определить параметры антенны; зондирующего сигнала; трактов формирования...

Русский

2013-12-26

1.16 MB

26 чел.

Оглавление

Задание и технически данные..…………………………………………………………3

Введение. Фазовый следящий радиолокатор...…………………………………...….4

Выбор структурных схем.....………………………………………………………….....6

Расчёт параметров цели ..............................…………………………………………...11

Расчет длины волны и параметров ФАР…………………………………………….12

Расчёт параметров сигнала........................…………………………………………....14

Расчёт полосы пропускания УПЧ.…………………………………………………....15

Расчёт погрешностей..........………………………………………………………….....16

Расчёт энергетических параметров..………………………………………………....19

Список используемой литературы и источников……………...…………………..20

Типовое задание.

Разработать угломестный канал (УМК) наземного фазового моноимпульсного радиолокатора (РЛ) дальнего обнаружения объектов с ЭПР  ,движущихся на высоте  над Землей действия с постоянной скоростью  .

Параметры РЛ: дальность действия от  , соответствующей длительности импульса зондирующего сигнала, до  ,где - длительность прямой видимости при высоте цели  ; сектор обзора по углу места   при разрешающей способности по углу  . Антенна- квадратная ФАР со стороной и КПД 0.78. При расстоянии до цели  погрешность измерения угла места    не должна превышать заданного значения при коэффициенте шума приемника, равном 3 , и потерях  энергии сигнала по высокой частоте и при обработке. Относительная угломерная погрешность ,где  - ширина ДН, должна быть не более 0.01 при неидентичности фазовых сдвигов в приемных трактах  на высокой частоте и   на промежуточной частоте.

Задание:

1) Составить и описать структурные схемы РЛ и УМК с цифровым устройством, вводимым для уменьшения аппаратурной погрешности .

2) Определить параметры антенны; зондирующего сигнала; трактов формирования и обработки сигналов ; устройства уменьшения    и выдаваемого УМК двоичного кода рассогласования по углу места. Рассчитать мощности передатчика РЛ. Считать, что доплеровский сдвиг частоты компенсируется с помощью АПЧ.

3) Выбрать дальность  , для которой производятся оптимизация следящей системы УМК, используя оценки    при   и   . Построить зависимость относительной полной погрешности от для всех этих вариантов.

4) Разработать технические требования к основным элементам АК, включая передатчик, достаточные для дальнейшего проектирования.

Радиопеленгаторы.

Радиопеленгаторы (РП) предназначены для определения направления прихода радиоволн. По методу получения информации о направлении на источник излучения (РП) делятся на амплитудные и фазовые, а по способу извлечения этой информации – на одноканальные (последовательного типа) и многоканальные (моноимпульсные). Рассмотрим методы пеленгации и наиболее распространенные типы радиопеленгаторов.

Амплитудные радиопеленгаторы.

В амплитудных одноканальных (РП) для определения направления на источник радиоволн используют направленные свойства антенн. Наиболее часто применяют метод максимума и равносигнальный метод. Амплитудные (РП) измеряют угол рассогласования   между направлениям на цель и опорным направлением (ОН). Отсчет  осуществляется по углу поворота антенны в момент совпадения с направлением на цель максимума диаграммы направленности антены (ДНА) или равносигнального направления.

Метод максимума.

Пеленгация методом максимума осуществляется путем совмещения направления максимума пеленгационной характеристики α с направлением на пеленгуемый объект α0 в результате плавного вращения (ДНА); пеленг отсчитывается в тот момент, когда напряжение на выходе приемника становится максимальным.

Достоинства метода максимума: простота технической реализации, получение наибольшего отношения сигнал-шум в момент отсчета пеленга. Недостатки метода: низкая пеленгационная чувствительность и, как следствие, низкая точность пеленгации.

Метод минимума.

Пеленгация методом минимума осуществляется путем плавного вращения ДН с резким провалом. Угол отсчитывается в тот момент, когда направление минимума пеленгационной характеристики α совпадает с направлением на объект α0, при этом напряжение на выходе приемника минимально. Крутизна пеленгационной характеристики в этом случае выше, чем при методе максимума, поэтому выше и точность пеленгации. Однако амплитуда принимаемого сигнала вблизи направления на объект мала, что затрудняет дальнометрию и, следовательно, использование метода минимума в активной радиолокации. Этот метод применяется главным образом в радионавигации при пеленгации источников мощного собственного излучения.

Метод сравнения.

При пеленгации методом сравнения угол определяется по соотношению амплитуд  двух принимаемых сигналов, соответствующих двум пересекающимся диаграммам направленности  f1(α) и f2(α). Приемник в этом случае двухканальный, причем напряжение на выходе каналов пропорциональны значениям  f1(α) и f2(α):

Сравнивая эти сигналы путем деления, находим:

                    (1)

Измерив отношение S и решив уравнение (1) относительно α0, найдем искомый угол. Достоинством метода сравнения является возможность быстрого определения направления на объект в пределах сравнительно широкого сектора при неподвижных антеннах. Однако точность измерения может иногда оказаться низкой в зависимости от вида и взаимного положения диаграмм направленности антенн и угла прихода радиоволн.

В том случае, когда отношение сигналов  стремится сделать равным единице, приходим к равносигнальному методу пеленгации. При этом методе (ДН) антенной системы поворачивается до тех пор, пока объект не окажется на равносигнальном направлении (РСН), когда   Достоинство равносигнального метода – сравнительно высокая точность пеленгации, так как при измерении используется та часть (ДНА), которая обладает большой крутизной. Данный метод применяется при автоматическом слежении по угловым координатам за движущимся объектом. В этом случае удобнее формировать не отношение сигналов (1), а их разность . Система управления поворачивает антенну в ту или иную сторону, стремясь свести рассогласование S к нулю. При этом равносигнальное направление будет отслеживать изменение направления на объект.

Фазовый радиопеленгатор (РП)

Рисунок 4. Взаимное положение фазовых центров антенны и источника излучения в фазовом пеленгаторе.

 

Информация о направлении на цель извлекается из фазовых соотношений сигналов, принятых в разных точках пространства. При определении одной угловой координаты, сигналы, принятые фазовых центров А и В (рис. 4), разнесенными на расстояние Б, называемое базой, из-за разности хода волн ΔR=AC имеют разность фаз φ=2π ΔR/λ. А из прямоугольника АВС видно что

 

Следовательно, информацию об угле места цели можно получить, измерив разность фаз φ и используя соотношение

         (2)

При некоторых значениях угла β и отношения  фазовый сдвиг сигналов может превысить 360º.

В этом случае из-за цикличности фазы возникает неоднозначность отчета угла β так как измеритель разности фаз покажет одно и то же значение β при равном, например, 30º и 390º (т.е. 360º+30º). Для обеспечения однозначности пеленгации в пределах сектора ±90º (т.е. когда -1≥sin β≥1) необходимо чтобы разность фаз не превышала ±180º.

Условие однозначности выполняется только при ≤0.5 (это следует из формулы 2).

Для повышения точности целесообразно увеличивать отношение , что противоречит условию однозначности отсчета угла, требующему ≤0.5.

Многоканальные (моноимпульсные) радиопеленгаторы 

Моноимпульсными называются такие (РП), в которых информация о направлении на источник излучения извлекается при одновременном сравнении параметров сигнала на выходе приемных каналов, каждый из которых соединен с соответствующей антенной. Основное достоинство моноимпульсных (РП) – большая точность, реализуемая ценой увеличения числа приемных каналов.

Название моноимпульсного (РП) образуется из названий входящих в него углового датчики и дискриминатора. Из возможных сочетаний этих элементов наиболее употребительны: фазовый угловой датчик + фазовый угловой дискриминатор, т.е. фазово-фазовый (РП); амплитудный угловой датчик + амплитудный угловой дискриминатор, т.е. амплитудно-амплитудный (РП); фазовый или амплитудный угловой датчик + суммарно-разностный угловой дискриминатор, т.е. фазовый или амплитудный суммарно-разностный (РП).

Фазовый следящий радиолокатор

Рисунок 5. Упрощенная структурная схема РЛ.

В соответствии с поставленными перед радиолокатором (РЛ) задачами он должен иметь канал обнаружения движущихся целей (ОДЦ) и четыре измерительных канала, служащих для определения угла места, азимута, скорости и дальности цели. Наличие (ОДЦ) и необходимость измерения скорости требуют применение когерентного зондирующего сигнала.

Упрощенная структурная схема такого (РЛ) представлена на рис. 5. Источником когерентных колебаний служит синтезатор частот (СЧ). Основной (СЧ) является когерентный генератор частоты, из которой путем дробно-рациональных преобразований формируются частоты всех сигналов, необходимых для работы (РЛ). Передатчик (Прд) представляет собой умножитель частоты f0/k  выдаваемого (CЧ) сигнала (f0-несущая частота) в k раз с последующим усилением мощности, периодически отпирающимся при поступлении с (СЧ) синхронизирующих импульсов с частотой повторения Fп синхросигнала (СС). Полученный в (Прд) зондирующий сигнал через переключатель прием-передача (ППП) направляется к антенной системе (АС).

В состав (АС) входят приемно-передающая фазированная антенная решетка (ФАР) и радиочастотный сумматор (РЧС). Антенная решетка имеет четыре модуля (рис 5), коммутация которых производится с помощью (РСЧ). При передаче (РСЧ) выполняет функцию делителя мощности зондирующего сигнала между модулями (ФАР). Сфазированные соответствующим образом сигналы этих модулей позволяют сформировать суммарную (ДНА) при работе радиолокатора в режиме передачи зондирующего сигнала.

При приеме (РЧС) формируется пять сигналов:

U1=e1+e2,  U2= e3+e4;

U3=e1+e3,  U4= e2+e4;

UΣ=e1+e2+ e3+e4,

где ei – сигнал, снимаемый с i-го модуля.

Сигнал подается на приемно-усилительный тракт (ПУТ-Σ), а сигналы U3, U4 и U1, U2 используются измерителем угловых координат (ИУК) для нахождения соответственно азимута и угла места цели. В частности, в (УМК) при этом (ФАР) преобразуется в антенну с двумя фазовыми центрами, разнесенными в вертикальной плоскости (рис. 4). Управление сканированием (ДНА) в процессе поиска цели осуществляется с помощью управляющего сигнала (УС-2), поступающего с ЭВМ радиолокатора (ЭВМ РЛ). Сигнал (УС-1) служит для переключения коммутаторов (ИУК) при коррекции неидентичностей приемно-усилительных трактов. Информация об азимуте α и угле места β цели поступает в (ЭВМ РЛ).

Рисунок 6. Преобразование ФАР в антенну с двумя фазовыми центрами, разнесенными в вертикальной плоскости, для нахождения угла места β.

Рисунок 7. Структурная схема угломестного канала.

Структурная схема угломестного канала показана на рис. 5. Канал может работать в двух режимах: рабочем, когда измеряется угол β, и калибровочном, когда корректируются неидентичности трактов обработки сигналов.

Угловой дискриминатор содержит два приемно-усилительных тракта (ПУТ) и фазовый детектор (ФД). Сигнал (ФД) преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Входящие в (ПУТ-1) и (ПУТ-2) амплитудные ограничители (АО) служат для устранения влияния амплитудных флуктуаций сигналов U1 и U2 на точность определения угловых координат. Фазовый сдвиг на 90º в одном из (ПУТ) необходим для получения дискриминационной характеристики вида sin φ, где φ – сдвиг по фазе сигналов U1 и U2, несущий информацию об угле β. На смесителе (См) обоих (ПУТ) подается один и тот же сигнал гетеродина от синтезатора частот (СЧ), чем обеспечивается равенство фазовых сдвигов, вносимых гетеродинирующим сигналом в сигналы, усиливаемые в (УПЧ) верхнего и нижнего (по схеме) приемных трактов.

Угол между направлением на цель и равнофазным направлением (РФН) (перпендикуляром к базе) является углом рассогласования. Значение угла должно сводиться к нулю путем поворота антенной решетки в процессе автоматического сопровождения цели по углу места.

На выходах (ПУТ-1) и (ПУТ-2) (см. рис. 7) действуют сигналы

Uвых1=Uогрcos(ωпчt+φ/2);

Uвых2=Uогрcos(ωпчt-φ/2+π/2),

где Uогр – амплитуда сигнала, соответствующая порогу ограничения в (АО). При этом напряжение на выходе (ФД) (сигнал ошибки) будет

,

где Kфд – коэффициент передачи фазового детектора.

Сигнал U(θp) подается (в данном (УМК) в цифровой форме) на устройство управления диаграммой направленности (УУДН), вызывая такой поворот (ДНА), при котором θр стремится к нулю

3. Расчет параметров цели

В данном разделе, исходя из заданной тактической ситуации (см. рис. 1.1), определяются диапазоны изменения дальности цели , и ее угловой скорости в пределах рабочей зоны РЛ в угломестной плоскости. Расчет выполняется в предположении, что высота подъема антенны РЛ , где  - высота полета цели. При желании получения более точных результатов следует принять, что , где  - размер апертуры квадратной ФАР, и для определения дальности прямой видимости , вместо (1.1) использовать соотношение

    ,   (1.8)

в котором все величины выражаются в километрах.

Предельное значение дальности цели рассчитывается с помощью (1.1) или (1,8), т.е. считается, что

         (1.9)

Значение  рекомендуется вычислять по приближенной формуле

.   (1.10)

где  - максимальное значение измеряемого в данном РЛ угла места цели. Формула (1.10) дает несколько завышенное значение , что при больших углах  не имеет принципиального значения.

Для нахождения угловой скорости цели  можно воспользоваться соотношением (1.3).

высота подъема антенны

дальность прямой видимости

Будем считать, что максимальное и минимальное значение дальности цели

4. Расчет длины волны и параметров ФАР.

При использовании в РЛ квадратной ФАР со стороной  ширина ДНА в азимутальной плоскости  и в угломестной плоскости  одна и та же, т.е. . Значение   определяется из заданной разрешающей способности РЛ по угловым координатам с учетом того, что эта разрешающая способность  обеспечивается суммарной диаграммой направленности ФАР, с помощью которой излучается зондирующий сигнал, т.е. считая, что

     .    (1.11)

Тогда длина волны зондирующего сигнала может быть найдена из соотношения

     .   (1.12)

Коэффициент усиления рассматриваемой ФАР при , выраженной в градусах, будет

    ,   (1.13)

где принято, что КПД антенны  .

Обоснование размера базы Б антенн. С целью повышения точности определения угловых координат размер базы Б, как показано ниже в § 1,6, должен быть намного больше длины волны . При этом значение фазового сдвига  принимаемых сигналов, определяемого соотношением (1.4), даже при малых углах рассогласования  может превысить , т.е. выйти за пределы диапазона однозначного измерения фазы, который с учетом возможности разного знака  составляет . Иными словами, при  возникает неоднозначность определения , когда фазовым сдвигам  и  соответствует одно и то же значение  (1.5). Для исключения многозначности отсчета угла  рекомендуется выбирать базу антенн из условия

     .    (1.14)

Справедливость этого условия следует из соотношений (1.4) и (1.12), используя которые можно показать, что при выполнении условия (1.14) и , где  - ширина ДНА, значение  не превышает . Сказанное иллюстрируется рис. 1.8, на котором в функции от угла рассогласования  показаны диаграмма направленности ФАР (а), фазовый сдвиг принимаемых сигналов (б) и выходное напряжение  фазового детектора углового дискриминатора (в). Углы  и  считаются малыми, т.е. принимается, что .

Рис. 1.8

Таким образом в фазовом радиопеленгаторе использование суммарной ДНА позволяет не только получить разрешение по угловым координатам, но и устранить неоднозначность отсчета угла , т.е. устранить ложные равнофазные направления

Ширина ДНА определяется из заданной разрешающей способности по углу с учетом того, что это разрешающая способность δβ обеспечивается сумарной диаграммой направленности антенны, с помощью которой излучается зондирующий сигнал, т.е. считая, что

длина волны зондирующего импульса

Тогда,

при условии что КПД антенны

база антенны

5. Расчет параметров сигнала

В данном разделе рассчитываются длительность импульса зондирующего сигнала  и период повторения  зондирующих импульсов,

Длительность импульса определяется по заданной минимальной измеряемой дальности :

     .   (1.15)

Период повторения импульсов выбирается из условия однозначности отсчета дальности:

     ,   (1.16)

которое с целью конкретизации расчета рекомендуется заменить равенством

     ,   (1.17)

где значение коэффициента запаса . Введение коэффициента запаса приводит к увеличению минимально необходимого значения периода повторения на , где  - максимальная измеряемая дальность цели. Этот дополнительный интервал времени целесообразно использовать для коррекции неидентичностей приемных трактов, обеспечив соответствующее быстродействие устройства коррекции.

длительность импульса

Период повторения выбирается из условия однозначности определения дальности с учетом коэффициента запаса по дальности

 

 

6. Расчет полосы пропускания УПЧ

В проектируемом фазовом радиопеленгаторе усилитель промежуточной частоты является единственным устройством, фильтрующим сигнал перед чувствительным элементом углового дискриминатора - фазовым детектором. Поэтому от полосы пропускания  этого устройства в существенной степени зависят точность и дальность действия угломерного канала. Для достижения наибольшего возможного в данной ситуации отношения мощностей сигнала и шума q на входе фазового детектора рекомендуется использовать УПЧ в качестве квазиоптимального фильтра и выбирать его полосу пропускания из соотношения

     .   (1.18)

При такой полосе пропускания потери энергии сигнала из-за неоптималъности фильтра составляют всего 1,12, т.е. значение q уменьшается при прохождении сигнала через УПЧ в 1,12 раза  или примерно на 0,5 дБ по сравнению с оптимальным фильтром.

Основным фактором, препятствующим согласованной фильтрации сигнала в УПЧ, является доплеровский сдвиг частоты этого сигнала.

Максимальное значение доплеровского сдвига частоты в заданной тактической ситуации (см. рис. 1.1) составляет

    ,   (1.19)

где  - центральный угол между позицией наземного РЛ и точкой на траектории цели, соответствующей . Значение  рассчитывается как

    ,    (1.20)

где 6370 км - радиус Земли.

Доплеровский сдвиг частоты  может составлять десятки килогерц, а в некоторых случаях превышать 100 кГц, что требует соответствующего расширения полосы пропускания УПЧ.

Для компенсации  можно использовать оценку доплеровского сдвига частоты, получаемую в устройстве измерения скорости цели или применить автоматическую подстройку частоты (АПЧ). В обоих устройствах выходная частота первых смесителей приемных трактов приводится к номинальному значению промежуточной частоты  путем изменения частоты гетеродина. Для упрощения схем устройства компенсации  на рис. 1.3 и 1.5 не показаны. Однако расчет  по формуле (1.19) позволяет с

формулировать требования к этим устройствам.

ширина полосы пропускания УПЧ

-максимальное значение доплеровского сдвига частоты в заданной тактической ситуации

7. Расчет погрешностей

Этап 1 (R=R1 R0=R2 R1=Rцmin):

динамическая погрешность, обусловленная изменением измеряемого угла θ и инерционностью следящего измерителя

флюктуационная погрешность, вызываемая шумом и помехами, поступающими на угловой дискриминатор следящего радиопеленгатора вместе с полезным сигналом

ширина полосы пропускания измерителя

угл. с2/Гц 

эквивалентная спектральная плотность флюктуаций на выходе ФД, вызываемых шумом, действующим на входе

Из соотношений 1.29 и 1.29 [2] находим отношение мощностей сигнала и шума на входе ФД q1 при котором обеспечивается σΣ на дальности Rцmin:

масштабный коэффициент

ширина спектра флюктуаций на входе ФД

угл с

Из соотношения 1.21 и 1.30 [2] по заданному значению σΣ

Из таблицы 1.1 [2] находим ΔFи1 и Gэ1 учитывая, что

угловая скорость цели:

Этап 2 (R=R2 R0=R1 R2=Rцmax):

Найдем q2:

угл с

угл с

угл с

Этап 3 (R=R2 R0=R2 R2=Rцmax):

угл с

угл с

угл с

Этап 4 (R=R1 R0=R2 R1=Rцmin):

угл с

угл с

 

угл с

Результаты вычислений представлены в таблице 1

N

R

1

0.891

3.657*10^3

0.341

20.665

3.757

1.878

4.2

2

0.18

6.066

205.835

3.028

1.438

87.469

87.481

3

0.18

6.066

205.835

3.028

92.234

0.379

92.235

4

0.891

3.657*10^3

0.341

20.665

35.308

17.654

39.475

8. Расчет энергетических параметров

произведение постоянной Больцмана на стандартную температуру

шумовая полоса пропускания тракта обработки сигнала, равная в рассматриваемом радиопеленгаторе полосе пропускания УПЧ

минимальная принимаемая мощность, обеспечивающая заданное качество обнаружения сигнала

Где:

коэффициент шума приемника

коэффициент потерь энергии сигнала при обработке

верхняя граница тропосферы

протяженность зоны осадков

удельный коэффициент затухания в осадках

минимальная передающая мощность обеспечивающая P.2min

Где:

ЭПР цели

длина волны зондирующего импульса

 

коэффициент усиления рассматриваемой ФАР

  

потери энергии сигнала

Список литературы:

1)А.А.Сосновский "Радиолокационные и радионавигационные измерители угловых координат" учебное пособие к курсовому проектированию.

2)П.А. Бакулев "Радиолокационные системы"

3)Ю.Г.Сосулин "Теоретические основы радиолокации и радионавигации".

PAGE   \* MERGEFORMAT 2