Наземная импульсная радиолокационная станция для поиска и сопровождения атакующих баллистических целей

Содержание

1. Введение

2. Тактико-технические характеристики

3. Расчетная часть

3.1 Выбор рабочей длины волны

3.2 Определение вида зондирующего сигнала

3.3 Выбор способа обзора пространства

3.4 Определение энергетического потенциала РЛС

3.5 Оценка точностных характеристик РЛС

3.6 Описание блока обработки

4. Заключение

Литература

1. Введение

В данной работе требуется спроектировать наземную импульсную радиолокационную станцию (РЛС) с электронным сканированием по азимуту и углу места, предназначенную для поиска и сопровождения атакующих баллистических целей с измерением дальности, скорости, азимута и угла места.

В режиме поиска РЛС должна обнаружить (при однократном зондировании) цели с эффективной отражающей поверхностью (ЭПР) σц на максимальной дальности rтр с вероятностью не менее Dтр и F при средней частоте ложных тревог mтр.

Конструктивная дальность РЛС r0. Радиальная скорость целей известна и может находиться в диапазоне от [Vr min, Vr max] = 1.7 [км/с].

В режиме сопровождения целей разрешающая способность по дальности должна быть не хуже δr, по скорости δv.

Разрешающая способность по азимуту и углу места на дальности rтр должна быть не хуже δ?x, δ?y.

Средний темп обращения к каждой цели в режиме сопровождения T0. Суммарные энергетические потери Kан.

Эффективная шумовая температура Tэф. Модель цели - совокупность блестящих точек примерно одинаковой интенсивности.

Рассмотренные вопросы:

. Выбор рабочей длины волны.

. Выбор зондирующего сигнала при решении задач обнаружения и измерения.

. Выбор способа оптимальной обработки принятого сигнала.

. Определение энергетического потенциала РЛС.

. Выбор способа обзора пространства.

. Разработка частной схемы блока обработки сигналов.

. Составление обобщенной структурной схемы РЛС.

. Оценка точностных характеристик и пропускной способности РЛС.

2. Тактико-технические характеристики

Тактико-технические характеристики РЛС

Характеристики цели

Характеристики мешающих отражений

радиолокационная станция импульсная

3. Расчетная часть

3.1 Выбор рабочей длины волны

Длина волны ЗС и рабочий диапазон частот определяют многие ТТХ РЛС, такие как: энергетический потенциал, дальность действия, помехоустойчивость, точностные разрешающие характеристики, весогабаритные параметры приемопередающих и антенно-фидерных систем, показатели стоимости, надежности, живучести и т.д.

На данном этапе проектирования требуется на основании анализа ТТХ РЛС определить диапазон рабочей длины волны λ. Так как используется весовая пространственная обработка, то максимальная длина волны суть

, (1)

где  - максимально допустимая по ТТХ ширина диаграммы направленности;  - максимально допустимый размер антенны.

  [рад], (2а)

 [м], (2б),  [м]. (3)

Минимальная длина волны суть

, (4)

где:

 - частота повторений;  - период повторения; ;  - число элементов, просматриваемых по углу места;  - число элементов, просматриваемых по азимуту.

 [с], (5а)

 [Гц], (5б)

, (5в)

, (5г)

 [с], (5д)

 [м]. (6)

Оптимальное значение длины волны суть

. (7а)

 [м]. (7б)

С учетом дальности определения цели, помех и мешающих излучений полученная рабочая длина волны находится в метровом диапазоне и соответствует поставленной задаче. абочая частота РЛС суть

. (8а)

 [МГц]. (8б)

3.2 Определение вида зондирующего сигнала

Характер и качество информации, доставляемой РЛС, зависит от структуры и свойств зондирующего сигнала. В зависимости от назначения РЛС зондирующий сигнал должен позволять реализовывать:

энергию излучения, достаточную для обнаружения целей и оценки их параметров;

достаточное подавление помех.

В приемниках РЛС обычно используется согласованный фильтр. Такой фильтр максимизирует отношение сигнал/шум при аддитивном белом гауссовом шуме и обеспечивает наибольшую вероятность обнаружения целей.

Универсального РЛ-сигнала не существует. Для каждой задачи, поставленной перед РЛС необходимо подобрать свой РЛ-сигнал. Обычно при выборе конкретного вида зондирующего сигнала учитываются следующие обстоятельства:

целевая и помеховая обстановка в зоне наблюдения РЛС;

задачи, решаемые РЛС на данном этапе;

возможности имеющихся сигналов по разрешающей способности и способности обеспечить наилучшее решение задачи в соответствии с выбранным критерием качества РЛС.

Основными параметрами, характеризующими ЗС, являются длительность, закон внутриимпульсной модуляции, ширина спектра, форма огибающей.

Для режима обнаружения целесообразно выбрать радиоимпульс с прямоугольной огибающей, поскольку разрешающая способность по дальности в этом режиме не должна быть высокой по причине необходимости обеспечения быстроты поиска целей в зоне обзора. Кроме того, при автоматическом способе обработки информации, используемой в РЛС, предъявляются жесткие требования к среднему числу обнаруживаемых ложных отметок за счет шумов. Их число за период обзора есть

. (9)

Максимальное допустимое число элементов разрешения:

. (10)

При использовании узкополосного сигнала за счет ухудшения разрешающей способности (M) уменьшается число ложных отметок.

Режиме сопровождения в данных условия не целесообразно использовать, поскольку ЭПР цели 1 м2, что означает возможность использовать режим обнаружения для сопровождения.

3.3 Выбор способа обзора пространства

Эффективность РЛС в ходе поиска и обнаружения целей в значительной мере определяется принятым способом обзора пространства. Под обзором понимают процесс периодического просмотра элементов разрешения в пределах зоны обзора. Очередность и цикличность просмотра элементов определяется принятым в РЛС способом обзора (алгоритм).

По способу обзора элементов разрешения различают одновременный и последовательный обзор.

При одновременном обзоре прием и обработка сигналов осуществляется сразу после появления цели в зоне. Достоинством одновременного обзора является высокий темп получения РЛ информации. Недостаток - низкие точностные характеристики или сложность конструкции.

Основным достоинством последовательного метода обзора является относительная простота конструкции. Недостаток - сложность программной реализации боевого алгоритма и ограниченные темпы поступления информации. Последовательный обзор может быть классифицирован по используемому методу просмотра угловых направлений пространства на растровый и спиральный, по принципу построения - детерминированный и гибкий.

В современных РЛС обзор по угловым координатам обычно является последовательным и строчным. При этом в простых условиях может использоваться жесткая программа обзора.

В нашем случае применение РЛС с ФАР подразумевает программное задание типа обзора, что позволяет перестраивать РЛС с одного типа обзора на другой. В РЛС используется 2 типа обзора: детерминированный на этапе обнаружения и адаптивный на этапе сопровождения.

Обзор по азимуту производится путем поочередного циклического просмотра угловых направлений в пределах зоны обзора. Число угловых направлений выбирается из того, что при заданной разрешающей способности РЛС по азимуту δ?x при последовательном сканировании не было пропуска цели между соседними направлениями. На практике обычно величину шага перемещения диаграммы направленности δε выбирают из условия δε = (0.5.0.9) δ?x.

Шаг перемещения луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно суть

, (11а)

, (11б)

 [град], (12а)

 [град]. (12б)

Общее количество просматриваемых угловых направлений

, (13а)

. (13б)

Период повторения импульсов при зондировании определяется следующим соотношением

, (14а)

 [с]. (14б)

Число зондирующих импульсов, излучаемых РЛС за период обзора

, (15а)

. (15б)

Число зондирующих импульсов, излучаемых РЛС за период обзора для этапа сопровождения

, (16а)

. (16б)

Пропускная способность РЛС

, (17а)

. (17б)

3.4 Определение энергетического потенциала РЛС

Необходимые высота и ширина антенны определяются как

, (18а)

, (18б)

 [м], (19а)

 [м]. (19б)

Эффективная площадь антенны

, (20а)

 [м2]. (20б)

Коэффициент направленного действия

, (21а)

, (22б)

Коэффициент усиления антенны

, (23а)

. (23б)

В проектируемой РЛС приемная и передающая антенны могут быть разнесены или совмещены, но в любом случае диаграммы направленности антенн положим одинаковыми.

Пороговое отношение сигнал/шум, необходимое для обеспечения заданных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, суть

, (24а)

. (24б)

Спектральная плотность мощности внутреннего шума приемника

, (25а)

. (25б)

Коэффициент усиления антенны активного постановщика помех

, (26а)

. (26б)

Требуемая мощность излучения в случае действия активного постановщика помех в направлении первого побочного лепестка.

Эффективная площадь приемной антенны в направлении на первый боковой лепесток

, (27а),  [м2]. (27б)

Спектральная плотность мощности шума активного постановщика помех на входе приемника РЛС

, (28а)

 [Вт/Гц]. (28б)

, (29а)

 [Вт]. (29б)

С целью подавления излучения постановщика помех на входе применим дополнительный автокоррелятор, учитывая влияние в виде дополнительных 3 дБ аппаратурных потерь. Требуемая мощность суть

, (30а)

 [Вт]. (30б)

Энергетический потенциал РЛС

, (31а)

 [1/с*м2]. (31б)

3.5 Оценка точностных характеристик РЛС

Оценка точностных характеристик РЛС производится с учетом выбранных значений длины волны и длительности зондирующих сигналов.

Среднеквадратичное отклонение при измерении радиальной скорости с, (32а)

 [м / с], (32б)

Среднеквадратическое отклонение при измерении азимута

, (33а),  [град]. (33б)

Среднеквадратическое отклонение при измерении угла места

, (34а)

 [град]. (34б)

3.6 Описание блока обработки

В PJ1C с фазированной антенной решеткой для более точного измерения угловых координат на начальном этапе применяют амплитудный метод, задействуя все полотно ФАР, а затем преобразуют амплитудные соотношения в фазовые. Поэтому здесь используется фильтровая обработка радиолокационных сигналов, т.к. хотя она и вносит большие фазовые искажения по сравнению с корреляционной, но не зависит от времени прихода отраженного сигнала.

Оптимальная обработка радиоимпульсов в режиме обнаружения сводится к следующему:

Приведение динамического диапазона сигнала в соответствие с динамическим диапазоном схемы обработки, что делается с помощью усилителя-ограничителя. В целях предотвращения перегрузки усилителя на его входе установлен режекторный фильтр, отсекающий возможные отражения от пассивных помех.

На набор из квазиоптимальных фильтров, согласованных по полосе с шириной спектра зондирующего сигнала поступает сигнал с определенного углового направления. Каждый фильтр в наборе настроен на свою частоту так, чтобы все вместе они перекрыли требуемый диапазон ΔFд. Сигналы с каждого фильтра поступают на квадратичные амплитудные детекторы для выделения квадрата модуля корреляционного интеграла |Zi|2, что устраняет влияние случайной неизвестной фазы сигнала.

Сигналы с детекторов обрабатываются в пороговых устройствах. Обработка ведётся отдельно для каждого набора фильтр-детектор для возможности дальнейшего сопровождения нескольких целей, двигающихся с разными скоростями и находящихся в одном угловом элементе разрешения. При превышении порога в каком-либо пороговом устройстве, на его выходе формируется сигнал от цели.

Сигналы от целей передаются на схему опроса, где производится измерение их амплитуд. Информация о номере "звенящего" фильтра и об амплитуде сигнала на его выходе передаемся в ЭУМ для перевода РЛС и режим сопровождения.

4. Заключение

В данной работе рассмотрена наземная импульсная радиолокационная станция, предназначенная для поиска и сопровождения атакующих баллистических целей с измерением дальности, радиальной скорости, азимута и угла места. РЛС имеет один режима работы - обнаружение. В режиме обнаружения производится обнаружение целей и определение их угловых координат, а так же вполне возможно без особых энергетических затрат сопроводить цель. В результате исследования разработана обобщенная структурная схема РЛС.

Литература

1.       Tимошков Г.В. Методические указания по курсу "Теоретические основы радио - и оптической локации // М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 1995.

2.       Задание на курсовую работу по военно-технической подготовке (курс 121).

.        Ширманян Я.Д. Теоретические основы радиолокации // Учебное пособие для вузов. - М. нзд-во "Советское радио". - 1970.

.        Власин, В.А., Власов, И.Б., Егоров, Ю.М., Информационные технологии в радиотехнических системах // Учебное пообие. - М.: MTTУ им. H.Э. Баумана. - 2003.

.        Ерохин, Г.А., Чернышев, О.В., Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн // Учебник для вузов. - М.: Радио и связь. - 1996.

.        Филиппов., B.C., Пономарев, Л.И., Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток // Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. - 1994.

.        Григорин-Рябов, В.В., Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) // М.: изд-во "Советское радио". - 1970.