Радиолокационные станции

Техническое задание

 

1. Максимальная дальность действия  РЛС: Dмакс = 450км

2. Минимальная дальность действия  РЛС: Dмин = 5км

3. Разрешающая способность по  дальности: ΔD = 155м

4. Разрешающая способность по  азимуту: Δα = 150

5. Разрешающая способность по  углу места: Δβ = 20

6. Среднеквадратическая погрешность  измерения дальности: σD = 10 м

7. Эффективная площадь рассеивания: σЭ ≥ 15 м2

8. Сектор обзора по азимуту: Фα = 3600

9. Сектор обзора по углу места: Фβ = 400

10. Вероятность правильного обнаружения: РПО = 0,9

11. Вероятность ложной тревоги: РЛТ = 10-4

12. Реальная погрешность измерения  азимута: σα = 0,10

13. Реальная погрешность измерения  угла места: σβ = 0,10

 

Оглавление

 

Введение

1. Анализ технического задания

2. Расчет основных технических  характеристик

2.1 Расчет длительности зондирующего  импульса

2.2 Расчет длины волны

2.3 Расчет ширины диаграммы направленности

2.4 Расчет требуемого КНД

2.5 Расчет характеристик антенны

2.6 Расчет отношения сигнал/шум

2.7 Расчет времени облучения

2.8 Расчет периода повторения  зондирующих импульсов

2.9 Определение числа импульсов  в пачке

2.10 Расчет чувствительности приемника

2.11 Расчет импульсной мощности  передатчика

2.12 Расчет характеристик оконечного  устройства

2.13 Расчет реальных погрешностей измерения

3. Расчет характеристик обнаружения

4. Особенности построения функциональных  узлов РЛС

5. Расчет реальных тактических  характеристик РЛС и сравнение их с требованиями ТЗ

Список литературы

Приложения

 

 

Введение

 

Радиолокация - это область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн.

В процессе радиолокационного наблюдения мы получаем радиолокационную информацию с помощью устройств радиолокационного наблюдения. Которые называют радиолокационными станциями (РЛС) или радарами (англ. radar от RAdio Detection And Ranging - радиообнаружение и дальнометрия) - система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности, скорости и геометрических параметров. Объекты радиолокационного наблюдения называются радиолокационными целями или просто целями. К радиолокационным целям относятся:

· летательные аппараты (самолеты, вертолеты, метеорологические зонды и др.)

· гидрометеообразования (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.

Радиолокационный сигнал является основным источником радиолокационной информации.

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную радиолокационные станции. РЛС подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки.

Выделяют два вида радиолокации:

· Пассивная радиолокация основана на приёме собственного излучения объекта

· При активной радиолокации радар излучает свой собственный зондирующий импульс и принимает его отражённым от цели. В зависимости от параметров принятого сигнала определяются характеристики цели.

Активная радиолокация бывает двух видов:

· С активным ответом - на объекте предполагается наличие радиопередатчика (ответчика), который излучает радиоволны в ответ на принятый сигнал. Активный ответ применяется для опознавания объектов (свой/чужой), дистанционного управления, а также для получения от них дополнительной информации (например, количество топлива, тип объекта и т.д.).

· С пассивным ответом - запросный сигнал отражается от объекта и воспринимается в пункте приёма как ответный.

 

1. Анализ технического задания

 

Согласно техническому заданию необходимо рассчитать основные технические характеристики РЛС и функциональных узлов и разработать функциональную схему трассового обзорного радиолокатора. Диапазон обзора 5-450 км при разрешающей способности по азимуту. Сектор обзора по азимуту и по углу места . Для такого сектора обзора целесообразно взять сложную антенную систему и многоканальную аппаратуру, что приведет к увеличению стоимости станции и весогабаритных параметров, исходя из этого, выберем последовательный обзор. Самым простым способом обзора является секторный строчный обзор. В этом случае луч быстро передвигается в плоскости угломестной, с одновременным медленным перемещением в плоскости азимута.

Для расчета РЛС трассового обзора будем использовать импульсный метод. Этот метод по сравнению с другими (частотный, фазовый) обладает рядом достоинств:

· сравнительная простота измерения дальности.

· сравнительная легкость измерения дальности многих целей, расположенных не слишком близко друг от друга.

· возможность использования одной антенны для излучения и приема, что особенно важно для бортового радиооборудования.

Импульсному методу свойственны и определенные недостатки:

· Так как прием отраженных сигналов возможен только после излучения, то невозможно измерять расстояние до целей, находящихся ближе, чем Dмин = 0,5×с×tи.

· Для получения достаточной энергии сигнала мощность излучения в импульсе должна быть весьма большой.

· Большая импульсная мощность в свою очередь требует применения сравнительно громоздкого модулятора. Кроме того, она может вызвать пробой в антенно-фидерной системе станции, особенно на больших высотах.

трассовый обзорный радиолокатор радиолокация

 

2. Расчет основных технических  характеристик

 

2.1 Расчет длительности зондирующего импульса

 

Длительность зондирующего импульса определяется разрешающей способностью по дальности:

 

 

где kсж - коэффициент сжатия сигнала (kсж=1-при простом сигнале).

По техническому заданию ∆D= (10-3D + 150м). Приняв D=Dmax=450км, получаем ∆D=600м.

 

 

Таким образом длительность зондирующего импульса равна 1 мкс.

 

2.2 Расчет длины волны

 

К выбору и обоснованию частоты излучения f0 или диапазона используемых частот нужно подходить особенно внимательно, так как этот технический показатель РЛС связан почти со всеми тактическими и техническими характеристиками. Так как трассовый обзорный радиолокатор служит для обнаружения и измерения координат (азимут-дальность) воздушных судов во внеаэродромной зоне (на трассах и вне трасс) с последующей выдачей информации о воздушной обстановке. То в соответствии с американским стандартом IEEE он относится к диапазону L (от англ. Long, в этом диапазоне осуществляется наблюдение и контроль над воздушным движением) и длина волны должна быть равна 15-30 см.

Для уменьшения размеров антенны необходимо уменьшать λ, поэтому выберем λ=15 см.

Отсюда частота излучения:

 

 

2.3 Расчет ширины диаграммы направленности

 

По найденной длине волны определим геометрические размеры раскрыва антенны по формуле (10) [1]. Будем иметь:

 

 

где - коэффициент ухудшения разрешающей способности, приблизительно равен 1…3 и зависящий в основном от разрешающей способности оконечного устройства. Выберем =1,2 и . Тогда геометрические размеры раскрыва в азимутальной и угломестной плоскостях будут равны:

 

 

Следовательно, будем иметь прямоугольный раскрыв.

Определим ширину ДН в двух плоскостях по формуле (54) из [1]:

 

    

  

 

В дальнейшем при вычислениях потребуются значения θ. α и θ. β в радианах, они равны 0.0218 для θ. α и 0.0291 для θ. β.

 

2.4 Расчет требуемого КНД

 

Для расчета КНД воспользуемся формулой (46) из [1]:

 

 

где θα и θβ выражены в радианах.

 

 

2.5 Расчет характеристик антенны

 

Геометрическая площадь раскрыва антенны по формуле (53) из [1] равна:

 

 

где ks = 0,4…0,7 - коэффициент использования раскрыва антенны.

Приняв коэффициент использования раскрыва антенны равным 0.7, получим:

 

 

Тогда эффективная площадь раскрыва антенны будет равна:

 

 

2.6 Расчет отношения сигнал/шум

 

Ширина диаграммы направленности связана с погрешностью измерения соотношением (формула (18) из [1]):

 

,

 

где q - отношение сигнал/шум на входе измерителя, γ2 =1.1.2.5 - коэффициент ухудшения потенциальной точности азимута.

Принимаем γ2=1.5 По техническому заданию °.

Следовательно, отношение сигнал/шум:

 

 

 

2.7 Расчет времени облучения

 

При круговом обзоре плоским лучом диаграмма направленности антенны имеет веерообразный характер (θβ=Фβ) и равномерно вращается в азимутальной плоскости. При этом koбз=1, а время обзора по формуле (33) из [1] равно:

 

 

Рассчитаем время облучения через время обзора, которое нам дано по ТЗ и равно 20с.:

 

 

Найдем ΩА - угловую скорость перемещения ДН по формуле (39) из [1], при коэффициенте обзора равном 1:

 

 

2.8 Расчет периода повторения зондирующих  импульсов

 

Учитывая время, необходимое для завершения переходных процессов в оконечном устройстве к моменту излучения очередного зондирующего импульса, рекомендуется выбирать (формула (26) из [1]):

 

 

где kзап = 1,2 … 2,0 - коэффициент запаса.

Принимаем коэффициент запаса kзап =1.2, тогда по формуле (26) из [1] получим:

 

 

Отсюда период повторения зондирующих импульсов Тповт = 3.6 мс.

 

2.9 Определение числа импульсов  в пачке

 

Количество импульсов в пачке определяется по формуле:

 

 

Примем N=20.

Для лучшего выделения отраженного сигнала, необходимо, чтобы число импульсов в пачке было как можно больше, но не менее 10. В нашем случае это условие соблюдается, что является результатом правильного решения при выборе времени обзора =20 с.

Для нахождения отношения сигнал/шум при обнаружении пачки импульсов воспользуемся формулой, где используются данные в ТЗ вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения, а так же количество импульсов в пачке.

Отношение сигнал/шум определим из выражения:

 

 

Сужение ДН при сохранении Tобз приводит к уменьшению времени облучения цели и тем самым к уменьшению энергии принимаемого сигнала, что сокращает дальность действия и увеличивает вероятность пропуска целей.

Минимальное значение ширины ДН в плоскости быстрого сканирования, необходимое для получения не менее N импульсов в пачке, определяется по формуле:

 

 

при kзап≈ 1.2, kобз=1, N=20 получаем:

 

 

θ мин θα, что означает правильность выбора Tповт и Tобл.

 

2.10 Расчет чувствительности приемника

 

Чувствительность приемника определяется наименьшим уровнем сигнала на входе приемника, который приемник может обнаружить. Реальной чувствительностью Рпр. мин, входящей в уравнение дальности, называется минимальная мощность сигнала на входе приемника, при которой на выходе его линейной части обеспечивается необходимое ОСШ по мощности qпор. Рассчитаем чувствительность приёмника по формуле (70) из [1]:

 

 

где k = 1,38·10-23 (Дж / К) - постоянная Больцмана;

Т0 = 290 (К) - абсолютная температура в Кельвинах;

Δfш - эффективная шумовая полоса приемника;

kш - коэффициент шума приемника;

kр = qпор/2N - коэффициент различимости.

Эффективная шумовая полоса приемника связана с полосой пропускания приемника Dfпр приближенным соотношением (71) из [1]:

 

 

Входящая в формулу (71) из [1] полоса пропускания приемника определяется формулой (72) из [1]:

 

 

где Δfи - эффективная ширина спектра полезного сигнала;

Δfд - максимально возможное доплеровское смещение частоты;

Δfнс - нестабильность частоты.

Эффективная ширина спектра определяется формулой:

 

 

где kф - коэффициент формы.

Для прямоугольного импульса коэффициент формы равен 1,37, тогда:

 

 

Нестабильность частоты определяется формулой:

 

 

где δfи и δfг - нестабильности несущей частоты сигнала fи и частоты гетеродина fг;

δfн и δfупч - неточность настроек частоты гетеродина и УПЧ.

Для выбранной длины волны обычно применяют транзисторные многокаскадные генераторы с умножением частоты и кварцевой стабилизацией. По таблице 2 из [1] относительная нестабильность частоты генератора и гетеродина:

 

 

Промежуточную частоту выбираем из соображения воспроизведения отраженного импульса на промежуточной частоте. Необходимо чтобы за время, равное tи=1 мкс было не менее 20-30 периодов промежуточной частоты. Решим уравнение относительно fПЧ. Получилось значение fПЧ=30 МГц. Частота излученного сигнала равна fИ=2 ГГц.

 

 

Относительные нестабильности и имеют порядок соответственно (0,003.0,01) и (0,0003.0,003).