Исследование сигналов, отраженных от подвижного протяженного на-дводного объекта на выходе РЛС обзорного типа с разработкой алго. диплом вкр. Исследование сигналов, отраженных от подвижного протяженного надводного объекта на выходе рлс обзорного типа с разработкой алгоритма определения дальности цели Листов Лист Лит
 Скачать 1.33 Mb.
|
|
Министерство обороны Российской Федерации Черноморское высшее военно-морское ордена Красной звезды училище им. ПС. Нахимова Кафедра Радиотехнических систем ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Тема Исследование сигналов, отраженных от подвижного протяженного надводного объекта на выходе РЛС обзорного типа с разработкой алгоритма определения дальности цели. По специальности Радиоэлектронные системы и комплексы По специализации Радиолокационные системы и комплексы Исполнитель: Шевченко (Буренкова) Влада Владимировна. Допущено к защите Зав. кафедры РТС К.т.н., доцент В.Кузьмин «___» февраля 2022 г. Научный руководитель Зав. кафедры РТС К.т.н., доцент В.Кузьмин «___» февраля 2022 г. Севастополь 2022 г. Исследование сигналов, отраженных от подвижного протяженного надводного объекта на выходе РЛС обзорного типа с разработкой алгоритма определения дальности цели Листов Лист Лит. Шевченко Кузьмин Баранов Кузьмин Утвердил Рецензент Проверил. Н. контр. Разраб. Дата Подпис. № докум. Лист Вим ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ Аннотация Выпускная квалификационная работа специалиста на тему Исследование сигналов, отраженных от подвижного протяженного надводного объекта на выходе РЛС обзорного типа с разработкой алгоритма определения дальности цели. Данная квалификационная работа специалиста состоит из 125 страниц, содержит в себе 3 таблицы, 1 приложения, 96 рисунков. Ключевые слова радиолокационные станции обзорного типа, первая и вторая надводная цель одного класса, максимальные и средние значения амплитуды сигнала. Работа посвящена иследованию сигналов, отраженных от подвижного протяженного надводного объекта на выходе РЛС обзорного типа с разработкой алгоритма определения дальности цели Работа состоит из 4 глав, в которых рассматриваются следующие вопросы Анализ тактико-технических характеристики принципа работы типовой морской навигационной РЛС, состав и принцип работы ПРД РЛС Балтика, основные ТТХ РЛС Балтика Ка диапазона Исследование сигналов, отражённых от протяжённой надводной цели, при определения дальности для заданных пороговых уровнях сигнала (п, по материалам записи цифровых сигналов РЛС Балтика, с использованием способа определения дальности по местоположению геометрического центра ПНО и определения дальности по местоположению максимального значения сигнала, отражённого от ПНО. Разработка алгоритмов определения дальности до протяжённой надводной цели. Оценка ошибок определения дальности для разработанного алгоритма при различном времени усреднении (t уср1 = 9 с t уср2 =15 с t уср3 =21с; t уср4 =27 с. ВКР содержит в себе 3 таблицы, 1 приложения, 96 рисунков. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 3 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Список условных сокращений АРМ Автоматизированное рабочее место АПТН Автономный пост технического наблюдения АЦП Аналого-цифровой преобразователь АСТК Автоматизированная система технического контроля АПЧ Автоматическая подстройка частоты ВАРУ Временная автоматическая регулировка усиления МПЧ Модуль промежуточной частоты МВ Модуль выходной МАПЧ Модуль автоподстройки частоты РЛС Радиолокационная станция РЛМ Радиолокационные модули РЛИ Радиолокационная информация РРУ Ручная регулировка усиления РПП Регистр последовательного приближения СВЧ Сверхвысокая частота СКО Среднеквадратичное отклонение ТТХ Тактико-технические характеристики УВХ Устройство выборки-хранения ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь ЭПР Эффективная поверхность рассеяния ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 4 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Введение Развитие технических возможностей и технологии производства современных радиоэлектронных систем позволили использовать цифровые методы обработки информации в радиолокации. В радиолокационных станциях применение цифровых методов обработки сигналов позволяет реализовывать задачи по обнаружению и сопровождению целей в режиме реального времени упрощая работу оператора. Однако важной задачей использования РЛС является не только обнаружение, но и распознавание разных целей по классам, или распознавание целей одного класса разных проектов. И если задачи обнаружения и сопровождения целей решены давно, то задача распознавания целей по классам или распознавание целей одного класса разных проектов с помощью РЛС обзорного типа без системы активного опознания со стороны целей решается разными методами до сих пор. Данная работа направлена на решение задачи распознавания протяженных надводных целей с заданными параметрами по энергетическому признаку амплитуде) принимаемых сигналов. Для решения данной задачи проведено исследование амплитудных флюктуаций отраженных сигналов, и на основании этого исследования выбран признак различения, по которому составлен алгоритм различения протяженных надводных объектов одного класса разных проектов. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 5 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Глава 1. Анализ тактико-технических характеристики принципа работы типовой морской навигационной РЛС, состав и принцип работы ПРД РЛС Балтика, основные ТТХ РЛС Балтика Ка диапазона 1.1 Назначения и задачи морских навигационных РЛС. Эксплуатационные характеристики морских РЛС определяют возможности их применения для решения навигационных задач как самостоятельно, таки во взаимодействии с другими радиоэлектронными средствами. К эксплуатационным характеристикам относятся - определяемые координаты и возможность получения траекторий движения целей - максимальная дальность действия- минимальная дальность действия - разрешающая способность по определяемым координатам - точность измерения определяемых координат - время приведения станции в рабочее состояние с момента ее включения - количество целей, информация о которых может обрабатываться одновременно- помехозащищенность - надежность - работоспособность при различных механических и климатических условиях. Подробно рассмотрим лишь некоторые из приведенных эксплуатационных характеристик. МАКСИМАЛЬНАЯ И МИНИМАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ Максимальная дальность. Максимальная дальность зависит от ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 6 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим - условий распространения радиоволн - эффективной площади рассеивания цели - импульсной мощности - чувствительности приемника и.т.д. Они могут изменяться вовремя работы РЛС случайно. Максимальной дальностью ах является такая дальность, при которой обеспечивается обнаружение цели с заданной вероятностью. Очень часто за величину ах принимают такое значение, полученное в результате большого числа испытаний (для определенного типа целей) при вероятности обнаружения . Таким образом, на расстоянии ах цель может быть обнаружена в 50% случаев, а при приближении цели вероятность обнаружения будет возрастать, стремясь к 1. Иногда величина ах указывается для вероятности обнаружения. В этом случае расстояние между РЛС и целью будет соответственно меньше. Аналитическое выражение для дальности действия РЛС может быть получено только для идеальных условий. Дальность действия РЛС главным образом зависит от характеристик станции и отражающей способности цели. Кроме того, на дальность действия влияют отражения отводной или земной поверхности, затухания электромагнитных волн в атмосфере и др. Однако выявление действия этих факторов на дальность действия РЛС следует начать с предположения, что атмосфера однородна и отсутствует затухание электромагнитных волн. Дальность действия РЛС существенно зависит от направленных свойств антенны. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 7 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Водная поверхность также оказывает влияние на дальность радиолокационного обнаружения из-за отражения электромагнитных волн отводы. Кроме того, на дальность оказывает влияние кривизна Земли. С увеличением высоты антенны РЛС и укорочением длины волны количество лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости увеличивается, асами лепестки оказываются более прижатыми к земле, что способствует лучшему обнаружению низких целей. В тоже время отражение электромагнитных волн отводной поверхности помимо возникновения лепесткового поля вызывает заметное уменьшение дальности обнаружения объектов, имеющих малую высоту. В связи с прямолинейным распространением радиоволн влияние кривизны Земли эквивалентно уменьшению высоты антенны РЛС и объекта. Отражение электромагнитных волн происходит не от плоской, а от выпуклой поверхности, поэтому наблюдается рассеяние отраженных лучей. Все это ведет к ослаблению мощности принимаемых отраженных сигналов. Распространение электромагнитных волн радиолокационного диапазона происходит в нижних слоях атмосферы — тропосфере. Влияние тропосферы сказывается на искривлении прямолинейного направления луча, обусловленного влиянием атмосферной рефракции. На дальность действия РЛС оказывает влияние и затухание радиоволн. Оно происходит из-за поглощения и рассеяния электромагнитной энергии газами атмосферы, гидрометеорами (дождь, туман, снег и т. п. Минимальная дальность. Минимальная дальность обнаружения Dmin — это минимальное расстояние от РЛС до надводного объекта, при котором его отметка на экране наблюдается не исчезая. Dmin зависит отряда причин, относящихся как к РЛС, таки к цели, а также от высоты установки антенны РЛС и состояния внешней среды. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 8 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим К этим причинам следует отнести а) длительность зондирующего импульса, оказывающая основное влияние на величину Dmin. б) согласование волноводного тракта. в) наводка модулятора на приемное устройство, обусловленная тем, что модулятор и приемник конструктивно располагаются водном приборе. Из- за недостаточной экранировки видеоимпульс модулятора наводится на элементы приемника, вызывая его перегрузку на время, превышающее длительность зондирующего импульса (перегрузка приемника может ухудшить его чувствительность после окончания ЗИ). г) энергия, просачивающаяся через разрядник защиты приемника (РЗП), вызывает перегрузку приемника, после которой чувствительность восстанавливается медленно и приводит к увеличению минимальной дальности обнаружения д) временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) резко уменьшает чувствительность приемника на расстояниях, близких к РЛС. Снижая перегрузку приемника, ВАРУ значительно ослабляет и полезный сигнал, который может не обнаружиться даже на близких расстояниях е) высота установки антенны и ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. При узкой диаграмме в вертикальной плоскости и большой высоте антенны цель попадает в зону, где отсутствует излучаемая мощность, и сигнал не будет виден на экране ж) сигнал от цели с большой эффективной площадью рассеивания (ЭПР) может превысить мешающие наводки на приемники будет обнаружен. Следовательно, чем больше ЭПР, тем меньше Dmin. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 9 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Величина минимальной дальности, на которой продолжается наблюдение за объектом на экране индикатора РЛС, имеет важное значение при использовании морских РЛС. Мертвая зона — это расстояние, на котором сигналы от объектов, расположенных в непосредственной близости от места установки РЛС, не могут воспроизводиться на экране индикатора. Определенная по выражению величина D mIn обычно указывается в технической документации на РЛС. Однако реализация этого значения D min требует правильной установки антенны РЛС на судне, стем чтобы высота подъема антенны с учетом ширины ее диаграммы направленности в вертикальной плоскости не приводила к увеличению значения D min РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РЛС Разрешающая способность является одним из важнейших эксплуатационных параметров судовой РЛС. Разрешающая способность зависит от следующих технических параметров станции - длительности излучаемого импульса - диаграммы направленности антенны - типа и характеристик индикатора. Разрешающая способность характеризует способность станции раздельно воспроизводить на экране отметки от близкорасположенных или имеющих различную ЭПР объектов, те. подробность радиолокационного изображения Качество разрешения зависит от отношения сигнал/шум, а также от амплитуды и формы сигналов, те. для разрешения сигналов требуется тем большее отличие по параметру разрешения, чем большую протяженность по ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 10 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим этому параметру имеют сами сигналы. Так, повремени лучше разрешаются короткие сигналы, а по направлению — сигналы от антенн с более узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Реальная разрешающая способность всегда хуже потенциальной из-за искажения сигналов в реальном приемоиндикаторном тракте. Потенциальную разрешающую способность можно оценить, предполагая, что помехи отсутствуют и ухудшение разрешения обусловливается только искажением формы излучаемых импульсов при распространении и приеме. Разрешающая способность по дальности. Разрешающая способность по дальности — минимальное расстояние между целями, находящимися водном направлении относительно РЛС, отметки которых на экране наблюдаются отдельно. Для улучшения разрешающей способности необходимо - сократить выносимый на индикатор участок дальности (укрупнить масштаб- увеличить линейный размер развертки (размер экрана - уменьшить диаметр пятна ЭЛТ; - подобрать оптимальную характеристику приемного тракта. Разрешающая способность по дальности тем лучше, чем короче излучаемые импульсы и чем шире полоса пропускания приемника РЛС. Разрешающая способность по углу. Разрешающая способность по углу представляет собой угол между двумя целями, находящимися на одном расстоянии, отметки которых на экране РЛС наблюдаются раздельно. При равномерном обзоре линейный размер отметки определяется временем облучения целите. скоростью вращения антенны и шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 11 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Соответственно минимальное расстояние между целями на одной дальности от РЛС, при котором отметки наблюдаются раздельно, также определяется шириной диаграммы в горизонтальной плоскости. Разрешающая способность по интенсивности сигналов. Разрешающей способностью называется способность индикатора РЛС обеспечивать выделение на экране сигналов, имеющих различные амплитуды различную интенсивность. Обычный индикатор РЛС, использующий ЭЛТ с длительным послесвечением, характеризуется 1—2 градациями яркости, которые используются для отображения радиолокационной обстановки. При этом сигналы различной интенсивности, отраженные от различных объектов, практически воспроизводятся в виде отметок одинаковой яркости, что затрудняет классификацию объектов. Так как диапазон амплитуд принимаемых радиолокационных сигналов весьма широк, то для практики представляет значительный интерес возможность выявления разницы в амплитудах отраженных сигналов. Это позволяет не только увеличить количество информации, получаемой оператором об окружающей обстановке, классифицировать объекты, но и улучшить выделение эхо-сигналов от объектов на фоне помех. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ Точность определения координат целей характеризуется величинами систематических и случайных погрешностей. Рассмотрим инженерную методику оценки точности измерения координат объектов с помощью РЛС. Несмотря на то что погрешности рассчитываются при проектировании РЛС, наиболее объективной является экспериментальная оценка погрешностей в реальных условиях эксплуатации ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 12 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Оценка точности измерения направления. Потенциально возможная точность измерения направлений определяется наименьшей погрешностью приданной ширине диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и отношении сигнал/шум. Эта погрешность носит случайный характер. Реальная погрешность измерения направлений по индикатору РЛС определяется погрешностями, основные из которых а) погрешность передачи углового положения антенны к индикатору б) погрешность из-за несовпадения начала развертки с началом механического визира направлений в) погрешность совмещения визира направлений с центром отметки г) обусловленная параллаксом, те. удалением механического визира от отметки (из-за толщины стекла экрана ЭЛТ); д) погрешность измерения направлений (из-за наклона диаграммы направленности при качке судна е) субъективная, зависящая от опыта оператора и его зрения. Результирующая погрешность оценивается экспериментально с учетом всех составляющих, те. точность измерения направлений в навигационных РЛС должна оцениваться по максимальной ошибке, которая представляет собой сумму всех систематических и случайных погрешностей. Оценка точности измерения дальности. При использовании визира дальности (ПКД) также возникают случайные и систематические ошибки. Потенциальная точность измерения расстояний зависит от - длительности импульса РЛС ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 13 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим - отношения сигнал/шум и количества импульсов принимаемых от объекта внутри ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости Таким образом, потенциальная погрешность определения дальности является случайной величиной. В условиях эксплуатации необходимо также учитывать погрешности - из-за используемого при измерении масштаба изображения - из-за изменения режима работы схемы визира дальности в процессе эксплуатации - обусловленные субъективными качествами оператора. В процессе эксплуатации РЛС из-за нарушения регулировки ее блоков могут изменяться эксплуатационные параметры. Поэтому необходимы периодическая настройка и контроль ее параметров. При этом важнейшее значение приобретает методика оценки погрешностей. Важной эксплуатационной характеристикой РЛС является ее надежность, которая определяет способность сохранить заданные технические характеристики в процессе эксплуатации. Количественно надежность оценивается вероятностью безотказной работы в течение заданного времени, средним временем между двумя отказами, частотой отказов. К эксплуатационным характеристикам станции относятся также ее габаритные размеры, масса, удобство обслуживания, ремонтопригодность и другие, которые иногда имеют решающее значение при выборе типа станции для установки на судне. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЛС К важнейшим техническим характеристикам относятся - длина волны, определяемая частотой СВЧ-заполнения; ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 14 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим - частота повторения импульсов - ширина диаграммы направленности антенны - скорость обзора пространства - чувствительность приемного устройства - тип индикатора, его параметры - потребляемая мощность и др. Технические характеристики выбираются таким образом, чтобы обеспечить заданные эксплуатационные требования к РЛС. Рассмотрим некоторые из них. Использование в РЛС СВЧ-диапазона. В морских РЛС используется СВЧ-диапазон (частоты 2900—3100, 5470— 5650, 9200— 9500 МГц, которому соответствуют сантиметровые волны (10, 6, 3 см. Использование СВЧ-диапазона в радиолокационных станциях обусловлено следующим - длина волны СВЧ-колебаний, заполняющих импульс, должна быть значительно меньше линейных размеров даже малого объекта, чтобы обеспечить интенсивное отражение - в СВЧ-диапазоне можно создать антенны с узкой диаграммой направленности, имеющие сравнительно небольшие габаритные размеры, что весьма существенно для бортовой аппаратуры - применение СВЧ-диапазона необходимо для заполнения модулирующих импульсов, имеющих малую длительность ( 0,1 мкс. Такая длительность импульсов требуется для получения радиолокационного изображения высокого качества сточки зрения воспроизведения деталей ВКР.766.02.РТС2022.ПЗ 15 Лист Дата Подп. № докум. Лис. Вим Таким образом, длина волны морских РЛС определяет размеры антенной системы при требуемых значениях ширины диаграммы направленности. Кроме того, при выборе длины волны учитываются необходимость обеспечения работы импульсами малой длительности, получения необходимой излучаемой мощности и чувствительности приемника. Увеличение скорости обзора не может происходить бесконечно, так как при определенных больших скоростях вращения начинает проявляться эффект динамического сужения лучат. е. уменьшения числа принимаемых импульсов от объекта. Влияние этого эффекта возрастает на больших даль- ностях, а значит, ухудшается обнаружение целей из-за конечного времени распространения радиоволн. |