Пособие по выполнению курсовых работ по дисциплине Теоретические основы радиолокации и радионавигации Наименование Стр
 Скачать 2.82 Mb.
|
1 ПОСОБИЕ по выполнению курсовых работ по дисциплине «Теоретические основы радиолокации и радионавигации» № Наименование Стр. 1 Общие положения 2 2 Уравнение максимальной дальности для импульсных РЛС 4 2.1 Мощность шума приемника в пределах полосы пропускания 5 2.2 Средняя излучаемая мощность 8 2.3 ЭПР целей 8 3 Графики обнаружения, определение параметра обнаружения (требуемого отношения сигнал-шум) на входе приемника 12 4 Разрешающие способности по дальности, угловым координатам и радиальной скорости, импульсный разрешаемый объем 14 5 Способы увеличения дальности РЛС при сохранении высокой разрешающей способности, использование импульсов с ЛЧМ и ФКМ 17 6 Расчет точностных характеристик измеряемых параметров 25 7 Расчет параметров антенно-фидерного устройства 30 7.1 Коэффициент усиления антенны, коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент направленного действия (КНД) 31 7.2 Расчет ширины ДН прямоугольных и круглых раскрывов, амплитудно-фазовое распределение (АФР) по поверхности раскрыва, аналитическая запись ДН 32 7.3 Параболические зеркало 38 7.4 Рупорные антенны 41 7.5 Фазированная антенная решетка, диаграмма направленности 46 8 Расчет потерь в тропосфере 48 Литература 51 Приложение 1. Коэффициент направленного действия антенны 52 Приложение 2. Мощности, подводимые к антенне и излученные антенной. Коэффициент полезного действия и коэффициент усиления 54 Приложение 3. Связь ДН с амплитудно-фазовым распределением тока в раскрыве антенны 56 Приложение 4. Зеркальные параболические антенны 59 Приложение 5. Рупорные и линзовые антенны 65 Приложение 6. Фазированная антенная решетка 69 2 1. Общие положения 1. Курсовая работа (КР) проводится в соответствии с техническим заданием (ТЗ) на курсовую работу, утвержденным заведующим кафедрой или его заместителем по учебной работе, преподавателем, ведущим данный курс и подписанную студентом в соответствии с утвержденной формой. Принято, что объем пояснительной записки (ПЗ) составляет не менее 15-17 листов, включая список использованной литературы, шрифт 14, интервал между строчками – 1,5. Ссылки на использованную литературу должны содержаться в тексте в виде порядкового номера в квадратных скобках (при выполнении ПЗ используется рекомендованный титульный лист). 2. В начале работы на основе задания на курсовую работу – (технического задания - ТЗ) определяется тип устройства, по литературе (интернету) можно найти и кратко охарактеризовать отечественные или зарубежные аналоги. Далее выполняется анализ ТЗ (его особенности, сложности выполнения, например, обеспечение заданных требований по разрешающим способностям (по дальности, азимуту), по среднеквадратическим погрешностям (СКП) местоположения, трудности обеспечения заданной дальности действия в сложных метеоусловиях (туман, дожди различной интенсивности) т.п. При разработке РЛС с повышенными требованиями по разрешающим способностям по дальности и радиальной скорости объекта и соответствующими точностными характеристиками следует отметить противоречивость при выборе длительности простых импульсов и необходимость использования импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) или сигналов с фазо-кодовой манипуляцией (ФКМ). Привести соответствующие рассуждения по искусственному расширению спектра сигнала при увеличении его длительности и т.п. 3 При расчете тактико-технических характеристик РЛС или РНС, антенно-фидерного устройства использовать настоящее Пособие и рекомендованную литературу. В конце работы привести структурную схему РЛС или РНС, может быть введен раздел: элементы конструкции В заключении работы должен быть приведен итог работы с перечислением результатов 4 2. Уравнение максимальной дальности для импульсных РЛС Максимальная дальность действия активной РЛС вычисляется по формуле (это уравнение дальности РЛС называется основным уравнением радиолокации) [1-3]: 2 2 4 max 3 2 0 , 64 и и ц ш P G R q kT F ………………………..………………………(2.1) где: Р и – импульсная мощность передатчика (в ваттах-вт); G – коэффициент усиления антенны РЛС по мощности единиц), R - дальность от РЛС до цели (в метрах-м); σ ц – эффективная поверхность рассеяния цели (квадратные метры-м 2 ); ξ Ʃ – потери мощности сигнала в тропосфере от РЛС до цели и обратно (единиц); q 2 – требуемое отношение по мощности сигнал-помеха на входе приемника (единиц); k – постоянная Больцмана, равная 1,38 10 -23 [джоуль/град Кельвина]; T 0 эфф – эффективная шумовая температура в градусах Кельвина; F ш – коэффициент шума приемника, равный отношению сигнал/шум на входе приемника к отношению сигнал-шум на выходе (единицы). Анализ выражения (2.1) позволяет заключить следующее. - Для увеличения дальности R max необходимо увеличивать τ и (растет энергетика), однако падает разрешающая способность и точность по дальности. Для компенсации этого применяют расширение спектра сигнала, используя внутриимпульсную линейную частотную модуляцию несущей (ЛЧМ) или фазово-кодовую модуляцию (ФКМ). При этом ширина полосы модулированного сигнала Δf ›› 1/τ и , что компенсирует ухудшение точности и разрешающей способности. Использование сигналов с ЛЧМ и ФКМ приведено ниже - Увеличение Р и ограничивается предельным значением мощности (прочность антенно – фидерного тракта), поэтому для увеличения энергии облучают цель не одним импульсом, а пачкой импульсов. Тогда в 5 сомножитель Р и τ и надо добавить n - число импульсов в облучающей пачке, равное отношению времени облучения T обл к периоду повторения импульсов T п - Для увеличения числа импульсов величину T п надо брать меньше, однако для однозначности определений дальности выбор периода повторения импульсов ограничен условием: T п > 2R max /c. , где с-скорость света,…………………………….(2.2) 2.1. Мощность шума приемника в пределах полосы пропускания Сомножитель в знаменателе kT 0 эфф = N швх – спектральная плотность мощности шума, приведенная ко входу приемника, т.е. мощность шума в полосе 1 Гц, при этом важным параметром, определяющим чувствительность приемника, является коэффициент шума T 0 эфф , определяемый как: T 0 эфф = Т 0 (F ш +Т а /Т 0 -1),……………………………………………(2.3) где: Т 0 = 290 градусов Кельвина (290К); Та = шумовая температура антенны (70К). Эквивалентная шумовая температура антенны [https://chishma.ru/tarelki/ekvivaletn-shumov-temperat-antennw.html] Рассмотрим более подробно эквивалентную шумовую температуру антенны Т A . Она определяется многими факторами - размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере. Основные составляющие общих шумов антенны. - шумовая температура антенны, обусловленная фоновым шумом: чем меньше диаметр антенны, тем шире ее диаграмма направленности и больше разброс боковых лепестков, улавливающих шумы теплой земли, и, следовательно, тем больше фонового шума собирается антенной. Наихудше значение при угле места составляет 68К. - составляющая космических, или галактических шумов имеет небольшое значение шумовой температуры (около 2,7 К). 6 - значительная составляющая Т А - это затухание сигнала в осадках. Влияние условий распространения сигнала становится значительным на частотах выше 8 ГГц. Как правило, температура физической среды при всех формах выпадения осадков принимается равной 260К. Вследствие изложенного будем полагать, отношение Т А /Т 0 в соотношении (2.3) положим равным 1, вследствие чего для практических расчетов можно использовать соотношение N ш вх = kТ эфф = kТ 0 F ш ………………………//………………(2.4) Коэффициент шума каскада F ш показывает, во сколько раз ухудшится отношение сигнал/шум (Рс/Рш) при прохождении этого каскада: ( / ) , ( / ) с ш вх ш с ш вых Р Р F Р Р ……………………………………………..(2.5) Чувствительность приемного устройства в основном определяется первыми каскадами приемника. Численное значение этого коэффициента зависит, как правило, от частоты радиоусилителя (график для малошумящих усилителей приведен на рис.2.1). Рис. 2.1 График зависимости коэффициента шума от частоты для малошумящих усилителей. Для перевода дБ в разы использовать таблицу №1 7 Табл.№1 Для прикидочных расчетов можно ориентироваться на следующие значения коэффициентов шума (Табл.№2) [2-3]: Табл.№2 № Тип приемника F ш , дБ F ш , единицы 1 с параметрическим усилителем 2-4 1,58-2,51 2 с ЛБВ 4-8 2,51-6,31 3 с туннельным диодом 5-6 3,16-3,98 8 4 с балансным смесителем 6-9 3,98-7,94 Главный вывод из уравнения дальности: максимальная дальность действия РЛС пропорциональна корню четвертой степени из энергии излучения, ЭПР цели и коэффициента усиления антенны и обратно пропорциональна корню четвертой степени из спектральной плотности мощности шума на входе приемника и требуемого отношения сигнал/шум по мощности. Это значит, например, что увеличение в 2 раза энергии излучения (энергии в импульсе Р и и ) приведет к увеличению дальности действия только в 4 2 = 1,2, т.е. на 20%. Таким образом, увеличение дальности РЛС требует больших энергетических затрат. 2.2. Средняя излучаемая мощность Определяется соотношением: , и и ср п Р Р Т ……………………………………………..(2.3) и и Т - скважность импульсной последовательности…..(2.4) 2.3. ЭПР целей Отраженные сигналы, принимаемые активной РЛС от целей, возникают благодаря взаимодействию целей с падающей на нее электромагнитной волной. Вторичные волны или вторичное излучение цели распространяются во все стороны от цели, в том числе назад в сторону облучающей цель РЛС. Электромагнитные волны - поперечные и поляризованные. Это значит, что векторы электрической и магнитной компонент электромагнитной волны, сохраняя взаимно перпендикулярное направление относительно друг друга и относительно направления распространения волны, могут занимать разное положение в поперечной плоскости (Рис.2.2). 9 Рис.2.2. Взаимная ориентация векторов электрического Е и магнитного H полей при распространении бегущей волны При линейной поляризации векторы Е и H , в свою очередь, могут иметь вертикальные и горизонтальные составляющие (Рис.2). Рис. 2.3. Бегущая волна с круговой поляризацией поля Важнейшей радиолокационной характеристикой цели является эффективная площадь рассеяния (ЭПР). ЭПР - площадь такого эквивалентного излучателя, который отражает всю падающую на него энергию равномерно во всех направлениях и создает в точке приема такую же плотность потока мощности, что и реальная цель. ЭПР определяет отношение мощности вторичного излучения в направлении приемной позиции (с поляризацией, соответствующей поляризации приемной антенны) к плотности потока мощности первичной волны, падающей на цель. Физический смысл ЭПР в том, что она определяет долю мощности, «перехватываемую» целью и переизлучаемую в направлении приема (с поляризацией, соответствующей поляризации 10 приемной антенны). ЭПР цели (обозначается σц) рассчитывается по формуле: 2 2 2 2 2 2 4 4 пр пр ц пад пад R R Е H Е H где Е пр , H пр и Е пад , Н пад – напряженности электрического и магнитного полей вторичного излучения у приемной антенны (согласованной поляризации) и первичной падающей волны у цели. Зависимость ЭПР цели ц от направлений облучения и приема называется диаграммой направленности вторичного излучения цели, или диаграммой рассеяния цели (по мощности). В однопозиционных РЛС для каждой цели ЭПР зависит от двух углов ц = ц ( , ). Диаграмма направленности (ДН) вторичного излучения в однопозиционном случае называется ДН обратного вторичного излучения или ДН обратного рассеяния. ДН вторичного излучения – очень важные характеристики цели. Эти диаграммы получают на специальных экспериментальных установках. Соотношение между размерами цели l ц и длиной волны оказывает определяющее влияние на ЭПР цели. Принято различать три области соотношений между l ц и , где ЭПР цели определяется различными физическими процессами, и ее поведение существенно различается. Если наблюдать цель, изменяя угол наблюдения, можно получить ДН вторичного излучения, или ДН рассеяния цели. У сложной цели при l ц эта ДН имеет сильно изрезанный вид со случайными значениями и положениями пиков. Для расчетов используется усредненное значение σ ц Типичные ЭПР целей при обратном рассеянии приведены в табл.№3. Табл.№3 Тип радиолокационной цели ц , м 2 Авиация Самолет-истребитель 3 - 5 Многоцелевой истребитель F-22 0.1 - 0.8 11 Фронтовой бомбардировщик 7-10 Средний бомбардировщик 1 - 5 Тяжелый бомбардировщик 13-20 Бомбардировщик B-52 40 Транспортный самолет 10 - 70 Самолет по технологии «Стелс» 0,0001 - 0,01 Бомбардировщик, изготовленный по технологии «Стелс» B-2B 0.75 Суда Подводная лодка в надводном положении 30 - 150 Рубка подводной лодки 1 - 2 Малые суда (до 200 тонн) 50 - 200 Средник корабли (1000 - 10000 тонн) 300 - 1000 Большие корабли (больше 10000 тонн) >1000 Крейсер (10 – 15) *10 3 Наземные цели Автомобиль 1 - 3 Малые воздушные цели Крылатая ракета 0,1 - 0,8 ГЧ баллистические ракеты 10 –3 –1 Прочие цели Человек 0.8 Колебания грудной клетки человека при дыхании 0.1–0.2 Птица в полете 0.8 12 3. Графики обнаружения, определение параметра обнаружения (требуемого отношения сигнал-шум) на входе приемника Определение параметра q 2 проводится по графикам обнаружения [4-5]. Наиболее полной характеристикой качества обнаружения сигнала от цели является так называемая характеристика обнаружения. Это – зависимость вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум при фиксированной вероятности ложной тревоги. Типичный вид характеристик обнаружения показан на рисунке 3.1. По вертикали отложено значение вероятности правильного обнаружения (используемые обозначения: D, Р 0 , Р пр , далее будем использовать обозначение Р пр ). По горизонтали отложено значение коэффициента q, равного корню квадратному из удвоенного отношения энергии сигнала к спектральной плотности шума (используемые обозначения: N 0 , N швх , N ш , далее будем использовать обозначение Nш). Под энергией сигнала понимается произведение мощности импульса и его длительности Р с τ и Рис.3.1. Кривые обнаружения -штрих-пунктир: для сигналов с полностью известными параметрами; -пунктир: со случайной начальной фазой; -сплошные линии: со случайной начальной фазой и амплитудой. 13 В качестве параметра на приведенных графиках используется вероятность ложной тревоги (используемые обозначения: Р лт , F, далее будем использовать обозначение Р лт ), на графиках она приведена в виде чисел: 10 -4 ; 10 -6 ,…10 -10 ). Смысл этих вероятностей поясняется в конспекте читаемых лекций и в приводимой ниже литературе. Видно, что существует однозначная связь между Р 0 и q 2 при фиксированной Р лт . Эта однозначная связь позволяет задавать для определения дальности РЛС требуемое значение q 2 вместо вероятностей Р 0 и Р лт . Важно подчеркнуть, что ш c N E q 2 должно определяться именно на входе приемника. Например: Задано Р пр = 0,9; Рлт = 10 -7 . Требуется определить q 2 По графикам рис. 2.2, выбрав вариант сигнала с полностью известными параметрами (штрих-пунктир) по нижней шкале (где Э/N0) определяем искомое значение, равное 13,6 дБ, при переводе в разы получаем 23. Можно получить значение q 2 по формуле [2-3]: 2 2 1 1 1 [ ln 1, 4 ln 1, 4] . 1 лт пр q n P P …………………………(2.5) где: n – количество обрабатываемых импульсов, n = 1. Подставив заданные значения, получим значение 23. Вычисление натуральных логарифмов: https://www.calculat.org/ru/%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D1%80%D0%B8%D1%84%D0%BC%D 1%8B/%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9 -%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D1%80%D0%B8%D1%84%D0%BC.html 14 4. Разрешающие способности по дальности, угловым координатам |