Курсовая работа
по курсу
Радиотехнические системы
Выполнил:
Студент группы РР-4-07
Хромченков Н.В.
Москва 2011
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики »
Кафедра радиотехнических устройств и систем
Группа РР-4-07 Вариант №6
Студент Хромченков Никита Васильевич
Шифр 071123
Задание на курсовую работу по дисциплине «Радиотехнические системы»
Тема курсовой: «РЛС кругового обзора»
1. Теоретически раскрыть тему курсовой работы:
А) Изобразить функциональную схему данной РЛС с кратким описанием;
Б) Дать определение основным параметрам данной системы, привести формулы для расчета практической части
2. Рассчитать показатели РЛС кругового обзора:
А) максимальную дальность с учетом поглощения;
Б) реальную разрешающую способность по дальности и азимуту;
В) реальную точность измерения дальности и азимута.
Исходные данные:
1. Длинна волны 8
2. Импульсная мощность 650
3. Длительность импульсов 2,7
4. Частота посылок импульсов 700
5. Горизонтальный размер зеркала антенны 7
6. Вертикальный размер зеркала антенны 2,5
7. Период обзора 30
8. Коэффициент шума приемника 5
9. Вероятность правильного обнаружения 0,9
10. Вероятность ложной тревоги 10-5
11. Диаметр экрана индикатора кругового обзора 400
12. Эффективная отражающая площадь цели 25
13. Качество фокусировки 350
14. Предельное значение шкалы дальности 50
Предельное значение шкалы дальности 400
15. Измерительные метки дальности 15
16. Измерительные метки азимута 4
I. Теоретическая часть
Радиолокацией (РЛ) называется область науки и техники, объединяющая методы и технические средства обнаружения, измерения координат и параметров движения, а также определения некоторых характеристик различных объектов (радиолокационных целей), основанные на использовании радиоволн излучаемых, ретранслируемых или отражаемых (рассеиваемых) этими объектами. Процесс обнаружения объектов, измерение их координат и параметров движения называется радиолокационным наблюдение (иногда радиолокацией цели), а используемые для этого системы – радиолокационными станциями (РЛС), или радиолокаторами [1].
В зависимости от природы возникновения электромагнитных волн, достигающих антенны РЛС и доставляющих информацию об объектах радиолокационного наблюдения, различают активную, полуактивную, активную с активным ответом и пассивную радиолокацию.
Измерение координат обнаруженных целей основано на определении значений параметров радиолокационных сигналов, несущих информацию об этих целях. При этом используются следующие физические свойства радиоволн:
1. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве имеет конечное и приблизительно постоянное значение.
2. Траектории распространения радиоволн можно считать прямыми линиями.
3. Частота принимаемых электромагнитных колебаний отличается от частоты излученных колебаний в том случае, если цель перемещается относительно РЛС (Эффект Доплера) [3]
1.1 Функциональная схема и ее описание
Различают радиолокационные станции (РЛС), построенные по некогерентной и когерентной схемам. В первом случае случаи отдельные зондирующие импульсы некогерентны между собой, начальные фазы их несущих частот случайны, независимы между собой и равномерно распределены в интервале [-π; π], что делает невозможным синфазное суммирование пачки импульсов на радиочастоте. Решение об обнаружении отраженного целью сигнала в таких РЛС принимается на основе приема одиночного импульса, либо на основе приема пачки импульсов с суммированием после амплитудного детектирования.
Рассмотрим принцип действия и взаимодействие элементов некогерентной РЛС кругового обзора, структурная схема которой представлена в приложении 1.
Такие станции позволяют обнаружить цели, определять их дальность D и азимут α в процессе непрерывного обзора пространства вокруг станции, ограниченного максимальной дальностью РЛС D max и шириной диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места β А. ДНА вращается с постоянной скоростью, осуществляя за время одного оборота Т 0 круговой обзор по азимуту. Принимаемые приёмником РЛС сигналы, отраженные целями (Ц), с выхода приёмника подаются на управляющий электрод электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) индикатора кругового обзора (ИКО), линия разверстки которого вращается синхронно с вращением ДНА. Момент излечения зондирующего импульса антенной (А) определяет начало развертки дальности, а азимутальное положение линии развёрстки совпадает с положением оси ДНА. Отражённый от цели сигнал после преобразования, усиления т детектирования в приемнике РЛС модулирует электронный луч ЭЛТ по интенсивности (яркости), подсвечивая точку развертки, соответствующую временной задержке сигнала от цели, т.е. её дальности.
Сигналы, отраженные от цели, поступают на вход приёмника в течение времени поворота ДНА на угол, равный её ширине α А по азимуту. За это время будет принята пачка импульсов, число которых
определяется шириной ДНА α А , временем обзора Т 0 и периодом повторения кодирующих импульсов Т η. Каждый из сигнальных импульсов подсвечивает точку на соответствующей линии развертки.
При приеме пачки импульсов N нач на экране ЭЛТ создается отметка цели в виде дужки с протяженностью по азимуту α А , середина которой соответствует азимуту цели α, а её расстояние от центра экрана (начала развертки) – дальности D. Таким образом, протяженность отметки на экране ИКО по азимуту определяется шириной ДНА α А (если размеры цели малы сравнительно с линейной шириной ДНА (α А D) и цель можно считать точечной), а протяженность по дальности (вдоль линии развертки) – скоростью развертки и длительностью принимаемого сигнала. Протяженность отметки целей на экране ИКО непосредственно связана с разрешающей способностью по дальности, азимуту (угловой разрешающей способностью) и скоростью развертки. Увеличение скорости развертки ИКО позволяет улучшить разрешающую способность РЛС, но при этом сокращаются пределы измеряемой дальности (шкалы дальности) индикатора, поэтому в ИКО предусматривается несколько шкал дальности, что позволяет обеспечить измерение дальности в заданных пределах и повысить четкость изображение на экране ИКО переходом на более крупный масштаб. Устройством, обеспечивающим согласованную работу во времени (синхронизацию) всех элементов РЛС, является синхронизатор (приложение 1), состоящий из высокостабильного опорного генератора (ОГ), колебания которого заданной частоты и формы (обычно синусоидальной) используются для формирования пусковых импульсов (ФПИ). Эти импульсы имеют требуемую частоту повторения F η и используются для запуска модулятора (М) и схемы развертки дальности (РД).
Импульсы модулятора определяют длительность τυ и частоту повторения Fn высокочастотных импульсов, формируемых генератором высокой частоты (ГВЧ), которые через антенный переключатель (АП) поступают к излучателю антенной системы, формирующей требуемую диаграмму направленности. На время излучения импульса АП блокирует вход приёмника, защищая его от воздействия мощных колебаний.
Радиосигнал, принятый от цели, усиливается усилителем высокой частоты (УВЧ) приёмника непосредственно на радиочастоте принимаемого сигнала fc, которая при наличии радиальной скорости цепи Vr отличается на величину допплеровского смещения:
Fv = ±fn 
От несущей частоты излучаемого импульса fn. Знак плюс соответствует приближению цели, а минус – ее удалению. Основное усиление сигнала осуществляется усилением промежуточной частоты (УПЧ) на частоте fпч. Переход на fпч осуществляется с помощью преобразователя, состоящего из смесителя (СМ) и гетеродина (Г). Применение автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина обеспечивает равенство частоты сигнала после смесителя fпч частоте настройки УПЧ fпч0. АПЧ необходима, поскольку обычно в РЛС кругового обзора в качестве ГВЧ используется магнетрон, обеспечивающий наиболее экономичный способ получения мощных высокочастотных колебаний в сантиметровом диапазоне радиоволн. Недостатком магнетронного генератора является недостаточная стабильность частоты генерируемых колебаний и их некогерентность от импульса к импульсу. Последнее и заставляет осуществлять подстройку частот гетеродина fг под частоту колебаний fи при излучении каждого импульса.
Блок автоматической регулировки усиления (АРУ) служит для задания уровня порогового сигнала при смене помеховой обстановки.
После детектирования импульсных радиосигналов детектором (Д) выделяются их огибающие, называемые обычно видеоимпульсами. После усиления видео усилителем (ВУ) эти импульсы подаются на управляющий электрод ЭЛТ (сетку или катод в зависимости от полярности импульсов), обеспечивая модуляцию электронного луча по интенсивности (яркости отметки на экране).
Радиально-круговая развертка, применяется в ИКО, формируется с помощью схем развертки по дальности (РД) и по азимуту (РА). Чаще всего в ИКО используют ЭЛТ с электромагнитным отклонением, поэтому для линейного отклонения луча ЭЛТ по радиусу схемой РД создается линейно возрастающий ток во взаимно перпендикулярных отклоняющихся катушках. Вращение ДНА достигается соответствующей модуляцией амплитуды этого тока с помощью схемы РА, управляемой от датчика положения диаграммы направленности антенны (ДПА).
В РЛС кругового обзора чаще всего используют антенны рефлекторного типа, в которых для формирования ДНА используется рефлектор параболической формы. Зондирующий сигнал подается на излучатель, размещаемый в фокусе отражателя. Возможно получить вращающуюся ДНА и при неподвижной антенной системе, состоящей из трех ФАР с электронным управлением ДНА. Однако этот способ формирования вращающейся ДНА сложнее и поэтому применяется значительно реже.
Для измерения дальности на экране ИКО формируются метки дальности в виде светящихся колец, расстояние между которыми зависит от периода повторения импульсов, формируемых схемой электронных меток (СЭМ). Специальной схемой формируются и электронные метки азимута в виде импульсов, подсвечивающих более ярко линии развертки через заданные интервалы по азимуту (например, через 100).
Видеосигналы с выхода приемника поступают на устройство первичной обработки информации (УПОИ), выделяющее сигналы цепей из помех. Первичная обработка может быть осуществлена непосредственно в аналоговом виде или после преобразования сигнала в цифровую форму. При необходимости построения траекторий движения целей осуществляется вторичная обработка сигналов информации вычислительным устройством после преобразования сигнала в цифровую форму кодирующим устройством (КУ). Траектория может наблюдаться и непосредственно на экране ИКО, благодаря большому времени послесвечения фосфоресцирующего слоя экрана ЭЛТ, возбуждаемого вспышками флуоресцирующего слоя при воздействии электронного луча. Время послесвечения существенно превышает время однократного обзора Т0 и остаточные метки сохраняются на два-три оборота антенны РЛС, что и позволяет судить о перемещении отметки на экране ИКО.
На примере РЛС кругового обзора легко проследить взаимосвязь ее основных тактических и технических характеристик. Максимальная дальность действия Dmax связана с энергией зондирующего импульса Eзи,а также мощностью порогового сигнала Pcmin (чувствительность приемника РЛС) и коэффициентом различимости ИКО. Максимальная дальность зависит также от параметров антенны, отражающих свойств цели и условий распространения радиоволн.
Разрешающая способность по дальности ограничена шириной спектра зондирующего сигнала и полосой пропускания приемника, а также длительностью развертки (шкалой дальности) ИКО и разрешающей способностью используемой в нем ЭЛТ. Эти параметры влияют на точность измерения дальности. Точность и разрешающая способность при изменении азимута РЛС кругового обзора связаны с шириной ДНА, определяемой величиной относительно апертуры антенной системы, т.е. отношением ее размера к длине волны излучаемых колебаний.
1.2 Основные тактические параметры РЛС
Тактическими параметрами называются характеристики РЛС, определяющие ее функциональные возможности.
К основным тактическим характеристикам РЛС относятся:
1. Зона действия системы, заданная сектором обзора – область пространства, в которой система надежно выполняет функции;
2. Время обзора заданного сектора- время, необходимое для однократного обзора заданной зоны действия системы при заданном качестве;
3. Определяемые параметры, их число и точность;
4. Разрешающая способность по соответствующим координатам – способность раздельного обнаружения, измерения параметров двух или более близко расположенных целей;
5. Пропускная способность – характеризуется числом объектов, обслуживаемых системой одновременно или в единицу времени;
6. Помехозащищенность – способность РЛС выполнять свои функции при воздействии непреднамеренных и сильно организованных помех;
7. Надёжность функционирования – свойство системы сохранять свои тактические параметры в заданных пределах и условиях эксплуатации в течении требуемого интервала времени.
Достоинства данной схемы: простота построения, низкая стоимость.
Недостатки: меньшие помехозащищенность и дальность действия, по сравнению с РЛС построенными по когерентной схеме.
Область применения: РЛС обнаружения и сопровождения целей, противовоздушная и противоракетная оборона, радиоразведка и получение метеорологической информации.
Заключение
В данном курсовом проекте была рассмотрена РЛС кругового обзора, построена по некогерентной схеме. Достоинством таких РЛС является относительная простота их построения и малая стоимость. Недостатком является меньшая дальность действия (чем РЛС построенные по когерентной схеме) и помехозащищенность. Для устранения этих недостатков в последние годы в некогерентных РЛС применяется принцип искусственной когерентности – суть которого заключается в запоминании частоты и начальной фазы зондирующего импульса, при последующей обработке отраженных импульсов в цифровом сигнальном процессоре, в результате чего импульсы становятся когерентными.
Область применения РЛС кругового обзора очень обширна. Обзорные РЛС применяют для обнаружения и измерения координат всех целей в данной области пространства или земной поверхности, а также для управления воздушным движением (УВД), противовоздушной и противоракетной обороны (ПВО и ПРО), разведки и получения метеорологической информации.
В результате расчета были получены следующие данные:
Максимальная дальность действия РЛС составляет D max осл = 353.43 км, причем максимально возможное отличие реальной действительности от расчетной не более σ (D) = 1,5 км, отклонение от азимутального угла не превышает σ (ϕ аз) =0,47 град. Разрешающая способность РЛС составляет δ (D) = 4 км, а по дальности и δ (ϕ аз ) =10.57 град по углу азимута.
Список литературы
1. Радиотехнические системы: учебник для студентов высших учебных заведений под ред. Ю.М. Казарикова. М.: Академия, 2008. 592с.
2. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Под ред. В.В. Григорина-Рябова. М.: Советское радио, 1970. 680с.
3. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Бакулев П.А. М.: Радиотехника, 2004. 320с.
Формулы для расчета максимальной дальности действия РЛС с учётом поглощений
Максимальная дальность действия РЛС рассчитывается по формуле:
[км],где (1.1)
= 
–энергия, излучаемая в одном импульсе [Дж]; (1.2)
- импульсная мощность [кВт];
- длительность импульсов [мкс];
- эффективная площадь антенны [ 
]; (1.3)
- - соответственно горизонтальный к вертикальный размеры антенны[м];
- эффективная отражающая площадь цели [ 
];
λ-длина волны, излучаемая антенной РЛС [см];
- коэффициент различимости; (1.4)
Коэффициент различимости показывает отношение энергий сигнал/шум на выходе приёмника, при котором обеспечивается приём сигналов с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги, где
-теоретический коэффициент различимости; (1.5)
Произведение 
полагаем равным 10;
–параметр обнаружения; (1.6)
-вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения;
-колличество импульсов, принимаемых от цели; (1.7)
- частота посылок импульсов [Гц];
- время облучения [с]; (1.8)
-ширина диаграммы направленности антенны на уровне 0,5 по мощности (град) (1. 9)
- угловая скорость вращения антенны [град/с]; (1.10)
-период обзора [с];
-энергия шума при приеме, где (1.11)
k= 1.38* 
-постоянная Больцмана [ Дж/град];
- коэффициент шума приёмника;
Т - температура окружающей среды [К].
Максимальная дальность действия РЛС с учетом поглощения энергии радиоволн;
D), где (1.12)
D - ширина осла6яющего слоя [км];
- коэффициент ослабления [дБ/км].
Коэффициент ослабления определяется по графику [2, стр.159] при
| λ=5 [см].