Радиолокационная станция орудийной наводки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

"Южно-Уральский государственный университет"

Факультет "Приборостроительный"

Кафедра "Инфокоммуникационные технологии"

РЛС орудийной наводки

Пояснительная записка к курсовой работе

по курсу “Радиолокационные системы”

ЮУрГУ-210304.2014.887 КП ПЗ

Нормоконтролер

Даровских С.Н.

Автор проекта

студент группы ПС-414

Волков Д.А.

Челябинск 2014г.



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

"Южно-Уральский государственный университет"

Факультет "Приборостроительный"

Кафедра "Инфокоммуникационные технологии"

Задание

По курсовой работе

Студенту группы ПС-414 Волкову Дмитрию Александровичу

1. Тема проекта: Проектирование радиолокационной станции орудийной наводки

2. Срок сдачи 9.05.14г.

3. Исходные данные к работе

Выбираются по усмотрению студента



Аннотация

Волков Д.А. Проектирование РЛС орудийной наводки: пояснительная записка к курсовому проекту по курсу “Радиолокационные системы”. - Челябинск: ЮУрГУ, 2014г. - 47с.

Целью данной работы является закрепление изученного материала, наработка опыта в проектировании устройств радиолокации и исследования их характеристик.

Рассмотрены технология проектирования, принцип действия одноканальной импульсной радиолокационной станции. А также приведена возможная структурная схема.

Предложен способ цифрового накопления, как один из методов обработки радиолокационной информации. Разработана функциональная схема.



Анализ технического задания

В ходе работы необходимо будет рассчитать параметры радиолокационной станции. Однако в задании на курсовое проектирование не приведены ТТХ необходимые для расчёта параметров станции орудийной наводки. Таким образом, в процессе расчёта будут выбраны и обоснованы основные параметры и их значения необходимые для полноценной реализации проекта.

В главе «Введение» должны быть приведены общие сведения по радиолокационным станциям, принципы работы, режимы работы, этапы и принципы получения радиолокационной информации.

В главе «Выбор и способ обработки сигнала» будет произведена оценка наиболее приемлемого способа получения радиолокационной информации. На данное решение повлияет дальность действия, разрешающая способность, период обзора.

Если количество импульсов в пачке будет довольно большим, возможно, придётся использовать цифровое накопление, или наоборот.



Введение

Радиолокацией называется область радиотехники, использующая явления отражения или излучения электромагнитных волн различными объектами для обнаружения и измерения координат этих объектов. Радиотехнические устройства, предназначенные для решения указанных задач, называются радиолокационными станциями (РЛС).

Совокупность сведений о целях, получаемых средствами радиолокации, называют радиолокационной информацией.

Технические средства получения радиолокационной информации называют радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. РЛС представляют собой сложные комплексы, которые помимо радиотехнических устройств могут содержать системы автоматики и вычислительные устройства.

Процесс получения радиолокационной информации, во многих случаях единый, удобно разделить на следующие этапы:

- обнаружение целей;

- измерение координат и параметров движения;

- разрешение;

- распознавание целей.

Обнаружение состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в каждом выделенном участке пространства с минимально допустимыми вероятностями ошибочных решений.

Измерение сводится к выработке оценок координат и параметров движения цели с минимально допустимыми погрешностями. При использовании сферической системы координат обычно измеряют дальность до цели Dmax, а так же её азимут Фаз и угол места Фум(рис. 1).В качестве параметров движения цели могут вводиться производные координат, либо другие параметры траектории цели.



Рис 1. Сферические координаты цели.

Разрешение состоит в выполнении задач обнаружения и измерения параметров произвольной цели при наличии других, кроме выбранной для наблюдения. Говорят о разрешении целей по дальности, угловым координатам, скорости и т. д. Разрешающую способность по координатам характеризуют элементарным объёмом. Размеры последнего по дальности - ДD , в азимутальной плоскости - ДlФаз и в угломестной - ДlФум(рис. 2) устанавливаются так, что наличие цели в соседнем объёме практически не ухудшает показателей качества обнаружения и измерения координат цели, которая расположена в центре выделенного объёма. Выделенный таким образом объём называют разрешаемым объёмом (при импульсном облучении - импульсным объёмом).

Распознавание заключается в установлении принадлежности разрешаемой цели к определённому классу. В одних случаях необходимо установить принадлежность «свой - чужой» с помощью запросно-ответных устройств радиолокационного опознавания, в других - распознать боеголовку баллистической ракеты на фоне её корпуса, ложных целей, метеорных следов и т. п. или определить характер искусственного спутника Земли с помощью специальной аппаратуры селекции.

Основные принципы получения радиолокационной информации могут быть сформулированы в виде следующих положений.

1. Информация получается за счёт возмущения среды целью, в частности за счет эффекта излучения целью радиоволн.

2. Для получения необходимой информации учитываются и используются реальные закономерности распространения радиоволн в пространстве

3. Выделение слабых сигналов, приходящих от цели, и разрешение целей обеспечивается за счёт различий сигналов и помех, а также сигналов от разных целей между собой.

Рис 2. Пояснение разрешаемого объёма и разрешающейспособности по координатам.

Виды излучения: вторичное излучение, переизлучение и собственное излучение радиоволн. В первом и втором случаях радиолокатор излучает в направлении на цель мощный зондирующий сигнал; в последнем случае облучение цели не требуется.

Радиолокация с использованием вторичного излучения и переизлучения (ретрансляции) называется активной, а радиолокация с использованием собственного излучения - пассивной.



Анализ тактических характеристик

Для решения данной задачи следует воспользоваться импульсным зондированием, что объясняется рядом преимуществ:

1. Нет проблемы с развязкой приёмного и передающего трактов.

2. Сравнительно просто реализуется оптимальная обработка (особенно для сигналов малой длительности и узкополосных).

3. Легко решаются вопросы разрешения радиолокационных целей по дальности.

4. Формирование импульсных зондирующих сигналов с большой импульсной мощностью реализуется сравнительно маломощными радиотехническими цепями.

Одной из тактических характеристик является дальность действия РЛС.

Для однозначного измерения дальности необходимо, чтобы период следования радиоимпульсов был больше времени запаздывание =, которое соответствует максимальной дальности РЛС определяемой её энергетическим потенциалом:

Из данного соотношения можно найти минимальный период следования импульсов.

Длительность импульса можно выбрать по мере разрешающей способности по дальности, которая определяется формулой:



Откуда следует.

Посчитаем время облучения цели:

где - угловая скорость вращения луча. Нетрудно выразить:

Определим количество импульсов излучённых в направлении одиночной цели, которое выражается соотношением времени облучения к периоду следования импульсов:

Размер зоны обзора и потенциальные разрешающие способности определяют общее число элементов разрешения N_эр по следующей формуле

Выбор и расчет антенной системы

В РЛС данного типа чаще всего используются зеркальные антенны. Это объясняется простотой и надежностью конструкции, их относительной дешевизной, возможностью получения высоких характеристик диаграммы направленности (большого КУ, малой ширины луча, хороших диапазонных свойств и др.).

Диаграмма направленности антенны должна удовлетворять следующим требованиям:

· ширина ДН в горизонтальной плоскости должна быть не больше разрешающей способности по азимуту;

· ширина ДН в вертикальной плоскости должна обеспечивать

надежное облучение во всей зоне обзора.

Ширину ДН для данного типа антенн, при равномерном распределение поля в раскрыве, можно вычислить по следующей формуле:

где - длинна волны, a - размер антенны в соответствующей плоскости.

Для определения длины волны обратимся к рисунку 1, с учетом того, что Dmax=65 км. При этом оптимальная длина волны равна 5 см, т.к. при ее уменьшении энергия импульса резко возрастает.

Рис. 3 Изменение энергии излучаемых колебаний в зависимости от длины волны.

Размер антенны в горизонтальной плоскости посчитаем по формуле:



В вертикальной:

Найдем эффективную площадь антенны S по следующей формуле:

где К - коэффициент использования площади раскрыва (для равномерного распределения поля в раскрыве антенны К=1).

Найдем коэффициенты усиления антенн, которые связаны с эффективной поверхностью раскрыва следующим образом

радиолокационный станция сигнал цифровой

Выбор и способ обработки сигнала

При относительно малой дальности действия целесообразно использовать простые импульсные некогерентные РЛС.

Излучаемые РЛС колебания при импульсном методе зондирования имеют вид последовательности радиоимпульсов с постоянным периодом следования и фиксированной длительностью импульса. Отражённые от цели радиоимпульсы поступают на вход приёмника с запаздыванием относительно зондирующих. Вследствие перемещения диаграммы направленности антенны отражённый сигнал состоит из ограниченного числа радиоимпульсов, образующих пачку.



Рис. 4 Последовательность зондирующих и отражённых радиоимпульсов при вращающейся антенне.

Положительными сторонами импульсного режима работы являются простота измерения расстояния до цели, в том числе и при наличии большого числа целей, и возможность использования одной и той же антенны для передающего и приёмного устройств. Последнее особенно важно для радиолокационных станций, устанавливаемых на борту летательных аппаратов и в других случаях, когда требуются станции малых габаритов.

Однако у импульсных РЛС имеются и недостатки:

необходимость применения больших импульсных мощностей для получения достаточной величины энергии излучения;

невозможность измерения малых расстояний;

сложность измерения скорости цели по сравнению с режимом непрерывного излучения.

В соответствии с применяемыми схемами обработки сигналов импульсные РЛС подразделяются на некогерентные; когерентные и РЛС со смешанной обработкой.

В некогерентных РЛС используется последовательность радиоимпульсов, у которых значения начальной фазы высокочастотных колебаний (момент возникновения колебаний) от импульса к импульсу являются случайными и взаимонезависимыми. Схема обработки таких сигналов содержит как обязательный элемент детектор огибающей и устройство накопления продетектированных сигналов. Некогерентные РЛС являются наиболее простыми по сравнению с другими типами станций и получили благодаря этому наибольшее распространение.

Выше сказанное склоняет к выбору некогерентной импульсной РЛС.

Как известно, оптимальной процедурой обработки при обнаружении импульсных радиосигналов, является их накопление в течение времени нахождения цели в луче диаграммы направленности антенны.

Аналоговые накопители - потенциалоскопы и ультразвуковые линии задержки - технически и эксплуатационно сложны.

Цифровые накопители значительно проще, программа их работы без труда может меняться. Идеи цифрового накопления применительно к РЛС известны с конца пятидесятых - начала шестидесятых годов, однако их практическая реализация оказалась возможной только в настоящее время на основе современной микроэлектронной базы.

Структурная схема устройства автоматизированного обнаружения сигналов во всей зоне РЛС приведена на рис. 5.

Рис. 5 Структурная схема устройства автоматизированного обнаружения сигналов во всей зоне РЛС



Здесь ГИЗ - генератор импульсов запуска, ГМОД - генератор масштабных отметок дальности, ФУ - формирующее устройство, И - схемы совпадения, ЦН - цифровой накопитель (регистр или двоичный счетчик), ДШ - дешифратор.

В сдвиговой регистр СР в момент посылки зондирующего импульса записывается единица. Генератор масштабных отметок дальности - обычный делитель частоты - вырабатывает импульсы, период следования которых в единицах дальности соизмерим с разрешающей способностью и выбирается из соображений удобства отсчета. Импульсы этого генератора используются для перемещения (сдвига) единицы вдоль регистра. Максимальное количество разрядов СР

,

где D - дальность действия РЛС; c - скорость света; - период импульсов ГМОД.

Видеосигнал поступает с выхода приемника РЛС. Если напряжение видеосигнала превышает порог ограничения в ПУ, то на выходе формирующего устройства ФУ формируется стандартный по длительности и амплитуде импульс, который записывается в соответствующий цифровой накопитель через открытую схему И. Если в текущем периоде видеосигнал отсутствовал, то число, записанное в ЦН, не изменится. Таким образом, движение единицы в СР синхронизируется с разверткой по дальности, а в цифровых накопителях накапливаются импульсы от целей, расположенных на различных удалениях на одном азимуте. В конце каждого периода зондирующих импульсов (импульсов запуска) коммутатор опрашивает состояние дешифраторов. Если на некотором участке дальности критерий обнаружения (в данном случае - количество импульсов) выполнился, то на выходе дешифратора появится единица. Это обозначает принятие решения о наличии цели на этом участке дальности. Оценка координаты дальности осуществляется по номеру ЦН, а оценка координаты азимута производится путем фиксации центра принятой пачки.

Информация о координатах поступает не в реальном времени, а в конце периода . При использовании индикаторов, использующих план воздушной обстановки (например, с помощью ЭЛТ), необходимо получение информации в реальном времени. Для этого опрашивают дешифратор через небольшой интервал времени после открывания через небольшой интервал времени после открывания соответствующей схемы И. Такая задержка нужна для окончания переходных процессов в ЦН.

Наибольший объем аппаратурно занимают в этом устройстве ЦН. Потенциально можно регистрировать N - целей, отстоящих друг от друга на минимальной дальности, что физически невозможно. Поэтому целесообразно сформулировать требования к РЛС по количеству одновременно наблюдаемых на одном азимуте целей. При этом возникает задача распределения меньшего количества ЦН по большему количеству отводов СР.

Данная схема является достаточно общей и данный вид не применим. Часть элементов опущена, более подробно это всё будет разбираться в главе «Построение структурной схемы». Ясно одно, что наилучший способ обработки сигналов - цифровой.

Энергетический баланс станций

К числу основных качественных показателей работы РЛС относятся условная вероятность правильного обнаружения и точность определения координат. Как следует из кривых обнаружения, при фиксированной условной вероятности ложной тревоги условная вероятность правильного обнаружения является монотонной функцией отношения суммарной энергии полезного сигнала к спектральной плотности шума на входе приемника. От указанного отношения зависят также и дисперсии ошибок измерений параметров сигнала. Поэтому для определения мощности необходимой для обеспечения заданных тактических характеристик найдем зависимость энергии принимаемых колебаний от дальности до нефлуктуирующей цели с эффективной поверхностью . Для нашего случая м².

Для расчёта мощности излучения обратимся к формуле дальности:

Откуда:

где k - постоянная Больцмана Дж/К,

- коэффициент шума приёмника равный 5,

- температура приёмника.

Коэффициент различимости определяется по формуле:

где - число одиночных радиосигналов, энергия которых суммируется перед пороговым устройством в нашем случае 92.

q - энергетический параметр, определяется вероятностями ложной тревоги и правильного обнаружения

- потери в i-ом элементе приемника, n-число элементов.

Для предварительного расчёта принимаем 1.

Для расчёта мощности требуется рассчитать энергетический параметр. Для цифрового накопления справедливы формулы:

где F_ЭР и D_ЭР - вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения соответствующие одному элементу разрешения,

- вероятность события, наблюдающегося при превышении шумом порога квантования,

- вероятность события, наблюдающегося при превышении смеси сигнала и шума порога квантования,

N - количество импульсов, излучающееся в направлении одного элемента разрешения,

k₀ - число обнаруженных импульсов, достаточное для вынесения решения о том, что сигнал есть.

- число сочетаний из N п по k.

Вероятность ложной тревоги для всего пространства обзора определяется по формуле:

Откуда:

Правильного обнаружение осуществляется только в одном элементе разрешения, то есть там где сигнал, а в один момент времени сигнал может находиться только в одном элементе разрешения, поэтому .

Для получения минимальных пороговых сигналов (первый порог) амплитудного квантователя, пороговое значение должно выбираться оптимальным, для независимых флуктуаций величина порога определяется по формуле:

Подставляем все рассчитанные параметры в формулу (5.2):

Полученная мощность вполне удовлетворяет требованиям наземной РЛС и легко реализуется.

Влияние затухания радиоволн на дальность действия РЛС можно не учитывать, тк при длине волны равной 5 см, существенное влияние оказывает лишь дождь интенсивностью 16 мм/ч и туман, при котором видимость составляет 30 метров. Но при таких погодных условиях невозможно передвижение летательных аппаратов.

Расчёт среднеквадратических отклонений

Потенциальная среднеквадратичная ошибка измерения дальности составляет:

,

Ошибка измерения угла азимута:



Построение структурной схемы

Как уже отмечалось, некогерентные РЛС получили наибольшее распространение благодаря относительной простоте устройства. При некогерентной обработке роль оптимального фильтра для одиночного сигнала выполняет усилитель промежуточной частоты, ширина резонансной характеристики которого обычно согласовывается с длительностью сигнала, т. е. условие .

Фаза высокочастотных колебаний при некогерентной обработке исключается из рассмотрения путём выделения огибающей импульсного сигнала с помощью амплитудного детектора. После детектирования осуществляется накопление видеоимпульсов, которое осуществляется в цифровом накопителе, и сравнение суммарного сигнала с пороговым значением. После чего производится индикация.

Функциональная схема представлена в графическом материале.

Устройством, обеспечивающим согласование работы узлов и элементов РЛС во времени, является синхронизатор. На схеме синхронизатор представлен состоящим из двух элементов: генератора запускающих импульсов и генератора импульсов, следующих с заданной частотой повторения. Генератор запускающих импульсов вырабатывает импульсы с определённым периодом повторения намного меньшим, чем период зондирующих импульсов.

,

Для повышения стабильности используется кварцевая стабилизация.

Передатчик вырабатывает высокочастотные радиоимпульсы, длительность и форма которых определяются импульсом модулятора, а в момент появления - импульсом синхронизатора. В качестве генератора высокой частоты наиболее широко используются магнетроны, но применяются также и генераторы других типов, в частности высокочастотные триоды. Импульс передатчика через антенный переключатель поступает в антенну, формирующую заданную диаграмму направленности.

Антенный переключатель (АП) во время генерации радиоимпульса подключает антенну к передатчику и отключает приёмник. В большинстве РЛС в антенном переключателе используются газовые разрядники, которые «пробиваются» во время импульса передатчика (вследствие ионизации наполняющего их газа) и обеспечивают указанное переключение.

Антенна обеспечивает обзор пространства в пределах рабочей зоны станции по заданной программе.

Закономерность и требуемая скорость обзора обеспечивается устройством поворота антенны. Угловое положение луча антенны в пространстве с помощью специальных датчиков передаётся в выходные устройства для измерения угловых координат целей.

Приёмник, как правило, супергетеродинного типа. Входным элементом является усилитель ВЧ или смеситель, что определяется техническими возможностями создания усилителя ВЧ в диапазоне частот станции, его весом, габаритами, надежностью и другими факторами. В качестве усилителя ВЧ с малым уровнем шума могут применяться лампа бегущей волны, параметрический усилитель, парамагнитный (квантовый) усилитель и малошумящий триод. Уровень собственных шумов этих усилителей, кроме квантового, возрастает с увеличением рабочей частоты.

Характерной особенностью схемы некогерентной обработки является отсутствие связи между передатчиком и гетеродином приёмника для установления жёсткого соответствия фаз и их колебаний.

Для поддержания настройки приёмника на частоту передатчика применяется схема автоматической подстройки частоты (АПЧ), производящая сравнение частоты гетеродина и частоты передатчика. Если их разность не равна промежуточной частоте, схема АПЧ вырабатывает сигнал ошибки, величина которого пропорциональна отклонению разностной частоты от номинального значения промежуточной частоты. Сигнал ошибки используется для соответствующей коррекции частоты гетеродина.

Накопление видеоимпульсов осуществляется в цифровом накопителе. Система межпериодной обработки смеси N импульсов содержит М каналов дальности, каждый из которых состоит из временного селектора ВС, цифрового накопителя, осуществлённого на сдвиговом регистре СР и реверсивном счётчике РС и логической схемы ЛС, вырабатывающей решение о наличии сигнала.

Распределение видеоимпульсов сигнала по каналам дальности производится с помощью сдвигового регистра выполненного на М триггерах. На первый триггер Т₁ этого регистра поступает импульс с периодом повторения Т системы; одновременно он запускает импульсный модулятор системы. Записанная в этом триггере единица проталкивается последовательно в следующие триггеры с частотой генератора задающих импульсов.

Если от порогового устройства поступает видеоимпульс сигнала, временное положение t_З которого соответствует m-ому кольцу дальности, т. е. t_З=m , то он совпадает с интервалов времени, в течение которого открыт временной селектор ВС_m и вследствие этого поступит через этот селектор на сдвиговый регистр СР_m и реверсивный счётчик РС_m. Пусть этот импульс является первым из последовательности импульсных сигналов, а шумы отсутствуют. Тогда на триггерах регистра СР_m будет записано число из единицы в первом триггере и (N-1)-го нуля в остальных триггерах: 100…00, а показание счётчика РС_m.будет равно единице. Через период повторения Т системы указанное число будет сдвинуто на одну позицию вправо, после чего оно примет вид 010…00, а через приёмник поступит второй импульс последовательности, который вновь совпадёт с импульсом на триггере Т_m распределительного регистра СР₀, поэтому будет пропущен селектором ВС_m и записан в первый триггер канального сдвигового регистра, ввиду чего на последнем будет записано число 110…00, а в реверсивном счётчике канала - число 2 в двоичном коде. Ещё через период в том же регистре будет записано число 111…00, а в счётчике 3 и т. д. Таким образом, через время (N-1)T после поступления первого импульса в сдвиговом регистре будет записано число 111…11, состоящее из N единиц, а в счётчике - число N. Далее в виду окончания последовательности импульсных сигналов на вход селектора уже не будут поступать импульсы, и с каждым периодом повторения число единиц на триггерах регистра будет уменьшаться, начиная с младшего разряда. Так, например, через 2Т в регистре будет уже записано число 001…11, а показание реверсивного счётчика уменьшится на 2, так как на его второй (вычитающий) вход поступят последовательно две единицы из сдвигового регистра. Таким образом, реверсивный счётчик работает в соответствии с алгоритмом скользящего окна.

При помощи накопителя мы определяем дальность, а при помощи датчика углового положения мы определяем угол. Как только логическая схема говорит что есть цель, автоматически ЦВМ снимает значение угла с датчика. При этом будет большая погрешность, но в связи с тем, что диаграмма направленности узкая, погрешность довольно приемлема. Уменьшить погрешность можно, по моему мнению, увеличением разрешения датчика углового положения. То есть если у нас угол диаграммы 3 , то можно взять датчик который снимает угол через 0,5

Так же ЦВМ производит пересчёт угловых координат в прямоугольные, и отправляет данные на индикаторное устройство уже в «понятном» ему формате.



Табл.1 Выбранные тактико-технические характеристик

Зона обзора	Погрешность измерения	Разрешающая способность	РХО (в зоне обзора)
км	км				D, м			D, м
2	65	360	40	?12	45	1	1	90	3	3	0,95	0,0001



Список литературы

1. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения), М., «Советское радио», 1970, стр. 680.

Авт.: Васин В. В., Власов О. В., Григорин - Рябов В. В., Дудник П. И., Степанов Б. М.

2. Теоретические основы радиолокации. /под редакцией Я.Д. Ширмана/ Москва «Советское радио» 1970.

3. Антенны и устройства СВЧ. /под редакцией Д.И. Воскресенского/ Москва «Советское радио» 1994.

4. Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник - задачник по радиолокации. Москва «Советское радио» 1969.

5. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. Москва «Радио и Связь» 1986.

6. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Основы радиолокации». /под редакцией А.В. Журавлёва/ Челябинск «ЮУрГУ» 1978.

7. С. П. Панько. Цифровая обработка радиолокационной информации.

http://www.mtk.com.by/co.htm

8. Ракетно-артиллерийский комплекс «КС-19»

http://pvo.guns.ru/naval/kortik.htm

9. Курс лекций «Радиолокация». Даровских С.Н.



Приложение

Размещено на Allbest.ru

...