Радиолокационная станция РЛС. Cтруктурная схема и принцип работы судовой РЛС

Литература:

1. Дружинин В.В. Справочник по основам радиолокационной техники. Стр. 344-352, 353-367, 368-375.

2. Карпекин В.Е. Радиолокационная станция обнаружения воздушных объектов. Стр. 30-47.

3. Карпекин В.Е., Рябцев И.Ф., Тюнин Н.Г., Хмель Н.Н. Проверка коэффициента шума приёмных систем. Стр. 3-26.

Вопросы:

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения решает следующие основные задачи:

Выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция);

Усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте;

Детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства;

Обработка сигналов с целью подавления помех.

Качество выполнения приемной системой данных задач определяется ее характеристиками.

К основным из них относятся следующие:

Чувствительность приемника;

Коэффициент шума;

Динамический диапазон;

Коэффициент усиления;

Полоса пропускания;

Диапазон рабочих частот;

Помехоустойчивость.

Чувствительность приемника характеризует его способность выполнять свои функции при слабых входных сигналах. Она оценивается минимальной величиной сигнала на входе приемника, которая необходима для получения достаточной мощности на его выходе при заданном превышении над собственными шумами приемника. Количественно определяется величинами предельной и реальной чувствительности.

Предельной чувствительностью приемника P ’ п p . min называют такую минимальную мощность сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (входе детектора) отношение по мощности сигнала к шуму, равное единице.

Реальной чувствительностью приемника P п p . min называют такую мощность сигнала на его входе, которая обеспечивает на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум, равное коэффициенту различимости q .

Реальная и предельная чувствительность связаны зависимостью:

P пp.min = P ’ п p.min *q.

Коэффициент различимости численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал на выходе приемника может быть уверенно обнаружен.

Чувствительность приемника тем выше, чем меньше величина P п p . min . В современных приемниках РЛС P п p . min = 10 -13 – 10 -14 Вт.

Чувствительность приемника РЛС ограничивается его собственными шумами. Они возникают в антенно-волноводном тракте, сопротивлениях, электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов и проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т.д. С увеличением температуры уровень собственных шумов возрастает. Интенсивность шумов весьма мала. Однако проходя через приемник с большим усилением, они создают на его выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экране индикатора они наблюдаются в виде шумовой дорожки.

Количественная оценка шумов линейной части приемника осуществляется с помощью коэффициента шума. Коэффициентом шума приемника N называют величину, показывающую, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на выходе его линейной части, т.е.

Для идеального приемника, у которою собственные шумы отсутствуют, коэффициент шума ранен единице. Реальные приемники имеют коэффициент шума от 2 до 10. Выполнение требования высокой чувствительности приемника достигается применением малошумящих усилителей высокой частоты и всемерным снижением потерь в антенно-волноводном тракте.

Наряду с высокой чувствительностью приемник должен иметь большой динамический диапазон. Это связано с наличием на его входе помех и большого разброса амплитуд полезных сигналов. Динамическим диапазоном приемника называется величина наибольшего перепада входных сигналов, в пределах которого он еще обеспечивает нормальную работу. Количественно динамический диапазон оценивается отношением максимального входного сигнала, обработка которого приемником производится еще с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника, выраженном в децибелах:

Д=10 lg (Р пр. max /Р пр. min)

Динамический диапазон приемных систем современных РЛС должен быть не менее 70 - 80 Дб. Его расширение достигается за счет повышения чувствительности приемника, применения схем регулирования усиления и использования специальных усилительных приборов.

Усилительные свойства приемника характеризуются коэффициентом усиления. Различают коэффициент усиления по мощности К р и коэффициент усиления по напряжению К U .

Коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Р вх .:

К р =Р вых /Р вх

Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично:

К U =U вых / U вх

Коэффициент усиления определяется в относительных единицах или децибелах, причем

К дб =20 lg К

К рдб =10 lg К р

В современных приемниках общее усиление может достигать

К р = (0,1-10)*10 13 или соответственно К р = 120 - 140 д6.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (рис.3.70).

Рис. 3.70. Амплитудно-частотная характеристика приемника.

Амплитудно-частотная характеристика приемника определяет его частотную избирательность, т.е. способность выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами. Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания Df . Полоса пропускания определяется как разность частот f2 и f1 , для которых К уменьшается в , а К р - в два раза от своего максимального значения. Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма его амплитудно-частотной характеристики к П-образной.

Предельная чувствительность, полоса пропускания и коэффициент шума связаны зависимостью:

Р’ пр. min = к*Т о *N*Df,

где: Р’ пр. min - в Вт,

к - постоянная Больцмана,

Т о = 300°К, к*Т о = 4*10 -21 Вт/с,

Df - полоса пропускания (Мгц),

N - коэффициент шума.

Диапазон рабочих частот определяется значением крайних частот, обрабатываемых приемником. Он определяется следующими требованиями:

Приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона;

Характеристики приемника в этом диапазоне должны изменяться в заданных пределах.

Зачастую диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ, например, различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов.

Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

Вывод: Качество выполнения приемной системой задач в составе РЛС определяется её техническими характеристиками, основными из которых являются: чувствительность, коэффициент шума, динамический диапазон, коэффициент усиления, полоса пропускания, диапазон рабочих частот, помехоустойчивость.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов выполняется, как правило, по схеме супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке 3.71.

Рис. 3.71. Структурная схема супергетеродинного приемника.

Слабый сигнал электромагнитной энергии, принятый антенно-волноводной системой, поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ). Далее усиленный по мощности сигнал подается на высокочастотный фильтр.

Высокочастотный фильтр представляет собой колебательный контур с распределенными емкостью и индуктивностью. Его резонансная частота соответствует частоте принимаемого сигнала. Фильтр предназначен для частотной селекции полезных сигналов, а также для подавления помех по зеркальному каналу.

Основное усиление в супергетеродинном приемнике осуществляется не на частоте принимаемого сигнала, а на промежуточной частоте, более низкой по сравнению с принимаемой (в сотни раз). Перенос радиолокационной информации на промежуточную частоту осуществляет преобразователь частоты. Он состоит из смесителя, маломощного генератора незатухающих колебаний (стабильного гетеродина) и фильтра промежуточной частоты (входной фильтр усилителя промежуточной частоты).

Частота колебаний стабильного гетеродина fcг отличается от несущей частоты сигнала fc на величину промежуточной частоты fпч , т.е. fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг.

На смеситель одновременно воздействуют два напряжения: напряжение преобразуемого сигнала на высокой несущей частоте fc и напряжение стабильного гетеродина, изменяющееся по гармоническому закону с частотой fcг .

Для того чтобы получить колебание, имеющее ту же форму, что и поступающий сигнал, необходимо выделить колебание только одной комбинационной частоты. На входном фильтре усилителя промежуточной частоты (УПЧ) выделяют сигнал разностной частоты fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг .

УПЧ обеспечивает основное усиление и определяет полосу пропускания приемника.

В супергетеродинном приемнике при настройке на другую частоту одновременно изменяется настройка высокочастотного фильтра и стабильного гетеродина таким образом, что промежуточная частота остается неизменной. Это позволяет иметь в приемнике многокаскадный усилитель промежуточной частоты с постоянной настройкой.

Детектор преобразует модулированное высокочастотное колебание в напряжение, соответствующее модулирующему сигналу передающей системы. Например, при воздействии на его вход радиоимпульса промежуточной частоты на выходе детектора формируется видеоимпульс.

После детектора сигнал дополнительно усиливается усилителем низкой частоты (видеоусилителем) до величины, необходимой для нормальной работы индикаторного устройства.

Конструктивно вместе с усилителем низкой частоты (УНЧ) выполняются и схемы защиты РЛС от помех.

Особый интерес представляют детекторы. В детекторе осуществляется выделение сообщения из сигнала и устранение несущего высокочастотного колебания, являющегося переносчиком сообщения. В соответствии с видом модуляции различают детектирование сигналов, модулированных по амплитуде, фазе или частоте. Эти функции выполняют соответственно амплитудные, фазовые и частотные детекторы.

Спектр выходного колебания детектора лежит в области низких частот (частот модуляции), а спектр входного - в области высоких частот (центральной частоты сигнала). Такая трансформация спектра возможна только в устройствах, имеющих нелинейные или параметрические элементы. Роль таких элементов в современных детекторах выполняют обычно полупроводниковые диоды, реже транзисторы - биполярные и полевые. Выделение области частот модуляции и устранение высокочастотных составляющих спектра осуществляется фильтрами нижних частот (RС - или RLC - фильтрами).

Основным видом детектора является амплитудный детектор. Он имеет самостоятельное значение как детектор АМ-сигналов и, кроме того, входит в состав фазовых и частотных детекторов.

Высокие требования к стабильности несущей частоты зондирующих сигналов, необходимость генерирования сложных и когерентных сигналов привели к появлению передающих устройств, выполненных по многокаскадной схеме. В качестве первого каскада используются маломощные возбудители, а качестве последующих – многокаскадный усилитель мощности.

В таком передатчике стабильность частоты зондирующего сигнала определяется, в основном, маломощными задающими генераторами, частота которых стабилизирована известными методами, например, с помощью кварца.

Возбудитель может быть построен по схеме, позволяющей быстрое (в течение нескольких микросекунд) переключение с одной рабочей частоты на другую. Он может также одним из методов формировать линейно-частотномодулированный или фазокодомодулированный сигнал. Подробно эти вопросы будут рассмотрены в последующих подразделах.

При формировании сигнала возбудителя можно предусмотреть его жесткую связь с частотой гетеродинного сигнала смесителя, что исключает необходимость применения АПЧ. Наконец, в таком передатчике возможно получение пачки когерентных импульсов, что позволяет применять корреляционно-фильтровую компенсацию пассивных помех, а также объединять сигналы различных каналов на общий вход или разделять их на отдельные входы для питания различных элементов фазированной антенной решетки.

В общем случае структурная схема многокаскадного передающего устройства импульсной РЛС представлена на рис.3.9.

Рис.3.9. Структурная схема многокаскадного передающего устройства импульсной РЛС

Мощность колебаний возбудителя должна быть достаточной для возбуждения следующего за ним каскада. Поскольку формирование сигнала осуществляется на пониженной мощности, необходимый выходной уровень мощности зондирующего сигнала достигается покаскадным усилением.

В импульсных РЛС импульсная модуляция осуществляется в зависимости от уровня выходной мощности, либо в одном каскаде, либо в нескольких последних мощных каскадах усиления.

В ряде случаев формирование сигнала удобнее производить на пониженной частоте. В этом случае в состав предварительных каскадов включают либо умножители частоты, либо смесители (см.рис.3.10)

Рис.3.10. Пример схемы формирования сигнала.

В качестве усилительных каскадов многокаскадного передатчика широко используются приборы с электродинамическим управлением электронным потоком: клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ) и т.д.

Таким образом, многокаскадные передающие устройства применяются при высоких требованиях к стабильности частоты и строятся по схеме « Задающий генератор - усилитель мощности «. Примерами РЛС, в которых используются такие передающие устройства являются РЛС 55Ж6, 22Ж6М и т.д.

3.3.3 Импульсные модуляторы радиолокационных станций

Модуляторы РЛС вырабатывают мощные видеоимпульсы высокого напряжения заданной длительности и периода повторения для питания анодных цепей генераторных и усилительных приборов. Длительность модулирующих импульсов различных РЛС составляет единицы-десятки микросекунд, а период повторения – несколько миллисекунд. Это позволяет накапливать энергию во время паузы между посылками и отдавать ее в нагрузку в течение длительности импульса.

В передающих устройствах с усилителем мощности количество модуляторов и их характеристики зависят от схемы усилительной линейки и типа применяемых приборов. Взаимодействие модулятора с элементами передающего устройства (на примере передающего устройства с автогенератором в выходной ступени) показано на рис 3.11.

Рис.3.11. Взаимодействие модулятора с элементами передающего устройства.

Высоковольтный выпрямитель преобразует энергию переменного напряжения источника питания в энергию высокого постоянного напряжения, которое подается в модулятор. Модулятор управляет работой высокочастотного генератора. Если в передающем устройстве применена анодная модуляция, то он включает анодное питание генератора СВЧ на время, равное длительности зондирующего импульса. Принципиальной особенностью модулятора РЛС (в отличие от модуляторов других радиотехнических устройств) является осуществляемая им трансформация мощности. Модулятор передающего устройства РЛС накапливает энергию, поступающую от высоковольтного выпрямителя, в течение времени, примерно равного периоду повторения Т п. При этом

Э м = Р в ·Т п, (3.7)

где Э м – энергия, накопленная модулятором; Р в – мощность высоковольтного выпрямителя.

Накопленная энергия отдается модулятором в нагрузку в течение длительности импульса. Следовательно,

Э м = Р м ·t и, (3.8)

где Р м – мощность выходных импульсов модулятора.

Из формул (3.7) и (3.8) получаем

Р в = Р м ·t и /Т п. (3.9)

Поскольку t и << Т п, то Р в << Р м. Это дает возможность при конструировании РЛС выбирать высоковольтный выпрямитель меньшей мощности, а следовательно, меньших габаритов и массы.

Состав модулятора определяется его типом. Однако для всех подобных устройств характерно наличие таких элементов, как зарядный дроссель, накопитель энергии, коммутирующий элемент, импульсный трансформатор, цепи защиты и коррекции. Рассмотрим схемы основных типов импульсных модуляторов, применяемых в РЛС РТВ.

В передающих устройствах РЛС РТВ наиболее широкое применение получили два типа импульсных модуляторов: с полным разрядом накопителя энергии; с частичным разрядом накопителя энергии.

Накопителем энергии может являться электрическое поле конденсатора или магнитное поле катушки индуктивности. В качестве накопителя энергии может использоваться также искусственная длинная линия, которая эквивалентна емкости или индуктивности.

В настоящее время в большинстве случаев используются емкостные накопители, т.к. индуктивные накопители характеризуются весьма низким КПД.

На рис.3.12 показана блок-схема передатчика РЛС, работающего в режиме анодной импульсной модуляции. Как показано на схеме, импульсный модулятор состоит из двух основных элементов: накопителя энергии и коммутирующего устройства. При разомкнутом коммутирующем устройстве во время паузы между импульсами происходит накопление энергии в накопителе. При замыкании коммутатора, накопленная энергия за время длительности импульса расходуется на питание генератора СВЧ.

Рис.3.12. Блок-схема передатчика РЛС.

В качестве коммутирующего устройства используется или электронная лампа (триод) или транзисторный активный коммутатор, или газоразрядные (ионные) приборы – тиратроны, либо тиристоры и управляемые искровые разрядники.

Основным преимуществом коммутирующих устройств на электронных лампах и транзисторах является малая инерционность, позволяющая включать и выключать их на любое время с помощью маломощного управляющего импульса, подаваемого на управляющий электрод (сетку лампы или базу транзистора) коммутатора. Однако электронные лампы обладают большим внутренним сопротивлением и поэтому коммутаторы на электронных лампах имеют сравнительно низкий КПД.

Ионные и тиристорные коммутирующие устройства обладают малым внутренним сопротивлением и легко пропускают токи в десятки и сотни ампер. Недостатком ионных коммутирующих устройств является то, что с помощью управляющего импульса можно точно определить только момент начала разряда накопителя. Управлять же размыканием ионного коммутатора значительно труднее. Поэтому окончание разряда накопителя определяется временем разряда накопителя, т.е. зависит от параметров самого накопителя.

Модуляторы с емкостными накопителями. Такие модуляторы широко применяются в современных РЛС. Схема модулятора представлена на рис.3.13.

Обозначения на схеме: С н – конденсатор, накапливающий энергию; К – коммутатор, изображенный в виде выключателя; R з – ограничительное или зарядное сопротивление; R г – сопротивление СВЧ генератора, питаемое модулятором.

В паузах между импульсами коммутатор К разомкнут, и конденсатор С н заряжается от источника питания через сопротивление R з, запасая энергию. Напряжение на конденсаторе повышается до напряжения источника Е о. В конце заряда коммутатор К замыкается, подключая конденсатор С н к генератору, и конденсатор разряжается на генератор. После разряда конденсатора коммутатор вновь размыкается, происходит новый заряд накопительной емкости и т.д.

Рис.3.13. Упрощенная схема модулятора.

Сопротивление R з определяет продолжительность заряда и ограничивает ток от источника питания во время замыкания коммутатора. Величину этого сопротивления берут во много раз больше R г, для того чтобы заряд конденсатора происходил сравнительно медленно, а ток, протекающий по R з в течение разряда конденсатора, был пренебрежимо мал.

В рассмотренном модуляторе возможны режимы полного и частичного разряда накопительной емкости. В первом случае коммутатор, замкнувшись, не размыкается до полного разряда накопительной емкости, при котором напряжение на ней становится равным нулю. Осциллограммы напряжений на отдельных узлах модулятора, работающего в режиме полного разряда, изображены на рис.3.14 (жирная линия).

Недостатком модулятора, работающего в режиме полного разряда накопительной емкости, является неудовлетворительная, далекая от прямоугольной форма импульса и низкий КПД (около 50%). Поэтому они используются крайне редко.

При работе модулятора в режиме частичного разряда коммутатор замыкается на короткое время (равное t ) и размыкается, когда конденсатор еще сохраняет заряд, а напряжение U с имеет значительную величину. Характер изменения напряжения на накопительном конденсаторе показан на рис.3.14 (тонкая линия).

а)

б)

Рис.3.14. Осциллограммы напряжений на отдельных узлах модулятора.

Модуляторы с искусственной линией (линейные модуляторы). Известно, что разомкнутая на конце линия, заряженная до напряжения Е л, при разряде на сопротивление R =  создает прямоугольный импульс напряжения с амплитудой Е л /2 и длительностью

где l – длина линии; L " , C " – распределенные индуктивность и емкость линии.

Используя линию в качестве накопителя энергии, можно построить модуляторы с режимом полного разряда, вырабатывающие импульсы с хорошей прямоугольной формой. Однако длина линии получается неприемлемой для размещения в передатчиках. Вместо реальных линий в модуляторах можно использовать искусственные линии, составленные из отдельных индуктивностей и емкостей (рис.3.15).

Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко используются в современных передающих устройствах РЛС (например, РЛС 55Ж6). Они отличаются компактностью, высоким КПД и дают возможность получать импульсы весьма большой мощности с формой, мало отличающейся от прямоугольной.

Рассмотрим процессы в модуляторе с искусственной цепочной линией (рис.3.15), состоящей из трех секций.

Волновое сопротивление линии равно сопротивлению нагрузки  = R г. При разомкнутом коммутаторе источник питания заряжает линию до напряжения U л = Е о. После заряда коммутатор замыкается и присоединяет линию к генератору (к нагрузке). Так как сопротивление R г = , то при замыкании коммутатора на зажимах генератора возникает мгновенное напряжение, равное Е о /2. Благодаря этому колебания в генераторе возникают резко и передний фронт импульса получается крутым. Другая половина напряжения Е о /2 падает на волновом сопротивлении линии и вызывает бегущую волну напряжения, распространяющуюся к разомкнутому концу линии, частично разряжая ее по мере распространения. От разомкнутого конца линии волна отражается без перемены полярности и, вернувшись к началу линии, полностью поглощается нагрузкой.

Рис.3.15. Упрощенная схема модулятора с искусственной линией.

В схеме рис.3.15 напряжение источника должно быть в 2 раза больше напряжения питания генератора. Для устранения этого недостатка применяется схема рис.3.16,а, в которой линия заряжается через катушку индуктивности L з с малым сопротивлением потерь. Катушка составляет с емкостью линии контур, и заряд линии приобретает характер затухающих колебаний (рис.3.16,б). Через половину периода напряжение на линии повышается до U л = 2·Е о. В этот момент замыкается коммутатор, и напряжение на генераторе становится равным U л /2 = Е о, т.е. напряжению источника.

а)

б)

Рис.3.16. Схема модулятора с искусственной линией

КПД модулятора при заряде линии через индуктивность повышается до 90-95%. Но для реализации указанных преимуществ зарядная катушка должна иметь значительный коэффициент индуктивности. Кроме того, коммутатор должен замыкаться точно в моменты максимума напряжения на линии. Все это существенно усложняет конструкцию модулятора и схему управления коммутатором.

Поэтому на практике последовательно с зарядной индуктивностью часто включают диод, как показано на рис.3.17а. При таком дополнении линия, зарядившись до максимума в первую половину периода (рис.3.17б) из-за односторонней проводимости диода не может разрядиться и напряжение на ней сохраняется постоянным до замыкания коммутатора.

Таким образом, в рассмотренном примере отпадает необходимость в согласованном с колебаниями замыкании коммутатора, и схема управления упрощается. При этом уменьшается и коэффициент индуктивности зарядной катушки.

Рис.3.17. Эпюры, поясняющие работу модулятора.

В следствии потерь напряжения на внутреннем сопротивлении диода и сравнительно низкой добротности зарядного контура (Q < 10) минимальное напряжение на линии оказывается не выше (1,7-1,8)Е о, а КПД модулятора 85-90%. Подобная схема модулятора используется в передающем устройстве РЛС 55Ж6, П-18, 5Н84А.

В качестве примера на рис.3.18 показана принципиальная схема модулятора с искусственной линией.

В модуляторе такого типа накопителем является искусственная линия, а в качестве коммутирующего элемента используется тиратрон или тиристор. Коммутирующий элемент открывается внешним импульсом, который определяет только момент начала разряда накопителя. Форма и длительность импульса на выходе модулятора определяются параметрами пассивных элементов схемы.

Рис.3.18. Принципиальная схема модулятора с искусственной линией.

Формирование импульса заканчивается при полном разряде накопителя через коммутатор и импульсный трансформатор, который согласует сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением формирующей линии. В случае аварийной работы модулятора на несогласованную нагрузку предусматриваются защитные цепи (на рис.3.18 – диод Д2).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

Радиопередающее устройство РЛС сантиметрового диапазона

АННОТАЦИЯ

В данном дипломном проекте спроектировано радиопередающее устройство РЛС сантиметрового диапазона.

Цель дипломного проекта на основе анализа современных и перспективных средств воздушного нападения обосновать требования к основным параметрам перспективной РЛС обнаружения, а также спроектировать радиопередающее устройство этой РЛС.

устройство радиопередатчик радиолокация станция диапазон

Введение

1. Анализ современных и перспективных средств воздушного нападения

2. Тактико-техническое обоснование основных параметров РЛС

2.1 Основные технические характеристики импульсного передатчика

2.2 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на технические характеристики РЛС

2.3 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на помехозащищенность РЛС

3. Разработка структурной схемы РЛС

3.1 Тракт генерирования и излучения радиолокационных сигналов

3.1.1 Антенное устройство

3.1.2 Высокочастотный тракт РЛС

3.2 Тракт приема и выделения сигнала

4 Расчет требуемой импульсной мощности РПУ и коэффициента усиления антенны

4.1 Выбор типа антенны, расчет размеров и коэффициента усиления антенны

4.2 Расчет требуемой мощности передатчика

4.3 Приблизительный расчет потребляемой от сети мощности

5 Разработка структурной схемы РПУ

5.1 Функции, выполняемые радиопередающим устройством

5.2 Структурные схемы РПУ. Однокаскадная и многокаскадная схема передатчика

5.3 Разработка структурной схемы РПУ

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения надежной защиты государства развиваются все виды вооруженных сил. Вместе с тем, в современных условиях, когда на первое место среди средств ведения войны выдвинулось ядерное оружие и разнообразные средства доставки его к объектам - баллистические и крылатые ракеты, неизмеримо возросла роль противовоздушной обороны.

Опыт локальных войн в Ираке, Югославии неоспоримо показал, что противовоздушная оборона в современных условиях превратилась в фактор стратегического значения. Совершенствование средств воздушного нападения и тактики их применения вызвало новые требования к противосамолетной обороне. Она должна быть помехоустойчивой, достаточно эффективной для всего практически достижимого диапазона высот и скоростей, обеспечивать борьбу с малоразмерными целями.

Одним из главных направлений на пути решения задач ПВО - обеспечения надежного обнаружения и проводки воздушных целей при полетах на любых высотах, вплоть до предельно малых, в условиях радиоэлектронного противодействия.

В данной дипломной работе будет, на основе анализа современных и перспективных средств воздушного нападения, обоснованы требования к основным параметрам перспективной РЛС обнаружения. Спроектировано радиопередающее устройство этой РЛС и разработан возбудитель многочастотного ФКМ сигнала с дискретно изменяемой девиацией частоты.

1 . АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ВОЗДУШНОГО НАПАДЕНИЯ

В последние годы значительно расширен диапазон форм угрозы военной силой. Все большее внимание уделяется увеличению количества районов присутствия крупных группировок вооруженных сил США на постоянной или временной основе и наращиванию возможностей для их быстрого усиления в целях решения международных проблем путем угрозы или прямого использования военной мощи.

В условиях кардинальных изменений, происходящих на международной арене и связанных с активизацией договорных процессов по сокращению различных видов вооруженных сил и вооружения, улучшения отношений между США и Россией, американское военно-политическое руководство завершает пересмотр военной стратегии, основу которой составляют четыре главных положения: обеспечение стратегического сдерживания путем устрашения, сохранение передового развертывания в ключевых регионах, эффективное реагирование на кризисную обстановку, сохранение способности быстро нарастить численность и мощь вооруженных сил в случае необходимости.

В девяностые годы в американской военной стратегии появился новый подход к определению типа войн, в которых могут участвовать вооруженные силы США. Наряду с классификацией войн по масштабам и средствам их ведения военная доктрина США подразделяет все возможные в межгосударственных отношениях формы вооруженной борьбы по интенсивности. При этом выделяется три группы конфликтов: высокой, средней и низкой интенсивности. К конфликтам высокой интенсивности относятся войны глобального охвата между государствами или их коалициями, в которых противоборствующие стороны применяют для достижения решительных политических целей все имеющееся ядерное, химическое и биологическое оружие.

К конфликтам средней интенсивности относятся войны между государствами или коалициями государств с применением всех сил и средств, включая ограниченное использование оружия массового поражения.

Американское Военно-политическое руководство считает, что в настоящее время вероятность крупномасштабного столкновения между США и Россией в силу сложившегося ядерного паритета и в связи с улучшением отношений между двумя странами является низкой за последние годы. Одновременно с этим признается, что возросла возможность участия США в конфликтах низкой интенсивности, под которыми понимаются как формы применения вооруженных сил (ограниченные боевые действия, демонстрация силы), так и экономические, политические и идеологические акции, которые могут предприниматься США в различных регионах мира в целях «защиты американских интересов». При этом США присваивают себе право не только вмешиваться по собственному усмотрению в дела суверенных государств, но и определить, в какой форме это делать.

Пентагон предусматривает три аспекта такого вмешательства:

Против развивающихся стран, во главе которых стоят неугодные Вашингтону правительства;

Поддержку проамериканских режимов, стабильность которых находится под угрозой;

Против государств, в которых, по определению США имеются «террористические элементы», угрожающие американским интересам.

Несмотря на значительное снижение возможности глобального ядерного конфликта и перенос акцента в подготовке вооруженных сил США к участию в конфликтах низкой интенсивности американское руководство не исключает вероятности крупномасштабной войны против России, которая, по американским оценкам, «обладает физической возможностью уничтожить США одним сокрушительным ударом».

В качестве возможного способа развязывания войны на основных театрах считается перерастание конфликтов низкой интенсивности в военные действия более крупного масштаба, вплоть до всеобщей войны. Однако главным способом развязывания крупномасштабных войн военное руководство США считает внезапное нападение заблаговременно развернутыми в мирное время группировками войск.

В целом, осуществляемые США мероприятия по достижению военно-стратегического и военно-технического превосходства над нашей страной, а также ставка на использование военной силы для достижения внешнеполитических целей позволяют, по убеждению Вашингтона, проводить предусмотренный стратегией национальной безопасности курс, направленный не только на «глобальное сдерживание» России, но и на максимальное использование нынешней обстановки для создания новой системы международных отношений, в которой США отводилась бы роль бесспорного лидера, обладающего особыми полномочиями в следствии огромного экономического и военного имущества. Из рассмотренного выше следует, что одним из вероятных противников для России являются ВС США и блока НАТО в целом.

Опыт последних локальных войн показывает, что основную роль при проведении военных операций американское руководство отводит ВВС США и НАТО. Основной же силой способной сдерживать авиацию являются войска ПВО, необходимо учитывать как тактику применения, как и технические возможности средств воздушного нападения.

В настоящее время средства воздушного нападения состоят из средств стратегической авиации, средств тактической авиации, средств авиации ВМС, средств армейской авиации, беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и авиационных средств поражения (рисунок 1). ТА и палубная авиация рассматриваются командованием США и НАТО как главная ударная сила на ТВД во всех видах войн с применением и без применения ЯО. Тактика действий тактической и палубной авиации при прорыве ПВО ВВС предусматривает определенное оперативное построение, включающее несколько групп самолетов различного стратегического назначения:

Группа огневого подавления средств ПВО ВВС;

Ударные группы;

Группы непосредственного прикрытия ударных групп от истребителей ПВО ВВС;

Группы радиоэлектронного подавления средств ПВО ВВС;

Группы контроля и разведки результатов удара;

Группы дальнего радиолокационного обнаружения и управления.

Рисунок 1 - Классификация средств воздушного нападения

Ударные группы самолетов ТА и СА предназначены для нанесения ударов по объектам самолетами F-111, F-117, «ТОРНАДО», «ЯГУАР», «ХАРРИЕР», а также А-7D, А-10, «АЛЬФА-ДЖЕТ» (таблица 1).

Группы огневого подавления средств ПВО ВВС предназначены для уничтожения или вывода из строя средств ПВО ВВС с целью «ослепить» систему ПВО ВВС, нарушить систему огня ЗРВ, проделать бреши в системе ПВО ВВС. Объектами огневого воздействия могут быть РЛС, командные пункты, аэродромы, пункты наведения истребительной авиации и позиции ЗРВ.

Наиболее распространенным способом огневого подавления средств ПВО ВВС считается групповая атака звеном самолетов с прикрытием и применением как обычных так и противорадиолокационных ракет типа «ШРАЙК», «СТАНДАРТ-АРМ», «ХАРМ», «АЛАРМ», «ТЕССИТ РЕЙНБОУ».

Таблица 1

Основной противорадиолокационной ракетой состоящей на вооружении в настоящее время на вооружении ВВС и ВМФ США является ПРЛР «ХАРМ» (AQM-88А). Она предназначена для уничтожения РЛС ЗРВ, ПВО ВВС, работающих в дециметровом и сантиметровом диапазоне. Основные ТТХ ПРЛР приведены в таблице 2.

Таблица 2

Наименование	Дальность стрельбы, км	Скорость полета, м/с	Точность стрельбы, м	Носители
СТАНДАРТ-АРМ
ТЕССИТ-РЕЙНБОУ		Малая (до 830 км/ч)

Группа непосредственного прикрытия ударных групп от истребителей ПВО ВВС. На вооружении ВВС США состоят истребители-перехватчики, а также многоцелевые истребители типа: «торнадо» F-2; «фантом» FGR, 2F-15

ТТХ данных самолетов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Группа радиоэлектронного подавления средств ПВО ВВС предназначена для проведения комплекса мероприятий и действий по радиоэлектронному подавлению противника и защите своих войск (сил) и систем оружия от радиоэлектронного подавления. Представляет собой мероприятия и действия, проводимые войсками по подавляющему и дезинформирующему воздействию на РЭС и системы противника энергией электромагнитных излучений.

Радиодезинформация в системе РЭП проводится для введения противника в заблуждение путем ложной работы РЭС своих войск, изменения режимов их работы и имитации работы РЭС противоборствующей стороны. основными способами радиодезинформации считаются:

Показ ложных демаскирующих признаков РЭС, объектов и обстановки;

Преднамеренное вхождение в радиосети и радионаправления противника, передача в них ложной информации и команд;

Искажение сведений, сигналов и позывных;

Повышение интенсивности работы РЭС на второстепенных направлениях при сохранении режима работы на главном.

Перечисленные мероприятия в совокупности с другими мерами по дезинформации могут вызвать у противника впечатление о сосредоточении войск и подготовки операции там, где в действительности этого нет. Мероприятия по обеспечению РЭБ предусматривают поиск, перехват и анализ излучений, опознавание и определение местоположения РЭС противника, оценку создаваемой им угрозы для последующего радиоэлектронного подавления и выдачи целеуказание средствам поражения, а также управление своими силами и средствами РЭП.

На вооружении ВВС США приняты: самолет-разведчик RF-4C, а также самолеты радиоэлектронного подавления EF-111, EC-130H. Характеристики самолетов данного типа приведены в таблицах 4, 5.

Таблица 4

Таким образом, анализируя особенности применения ВВС США и НАТО, а также исходя из опыта локальных войн, можно увидеть, что ВВС США активно используют все технические возможности авиации. При массированном применении СВН учитывается все, начиная от рельефа, местности и погодных условий и заканчивая тактикой действий.

Для тактики действий воздушного противника в локальных войнах характерно массированное применение СВН, отсутствие шаблона в выборе варианта удар, тактических приемов и способов действий, всестороннее обеспечение действий ударных групп, стремление к достижению внезапности, сокращение времени нахождения самолетов в зоне огня зенитных средств и т. д. Комбинированные удары с воздуха становятся сложными, широко используются для решения различных задач БЛА, малозаметные летательные аппараты, ВТО в РЛ и ИК диапазоне, постановщики радиоэлектронных помех. Для обеспечения своевременного вскрытия противника на дальних границах обнаружения необходимо активно использовать РЛС обнаружения, которые обеспечат вскрытие состава противника на высотах вплоть до предельно малых на максимально дальних рубежах. Данная станция должна обладать высокой энергетикой излучаемого сигнала, помехозащищенностью.

2 ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЛС

2.1 Основные технические характеристики импульсного передатчика

Основная задача эскизного проектирования радиопередающего устройства состоит в обосновании требований к его техническим характеристикам на основе анализа требований к тактическим характеристикам проектируемой РЛС, а также в выборе структуры передатчика, обеспечивающей реализуемость обоснованных требований. Поэтому в данном вопросе основное внимание уделяется анализу влияния параметров зондирующих сигналов на основные тактические характеристики проектируемой РЛС.

В радиолокационных системах находят применение различные виды зондирующих сигналов:

Непрерывные немодулированные;

Непрерывные амплитудно-модулированные;

Непрерывные частотно-модулированные;

Импульсные.

Выбор того или иного вида зондирующего сигнала зависит от характера решаемых радиолокационной системой задач и условий ее функционирования. Однако в РЛС РТВ, как впрочем и в большинстве РЛС другого назначения, применяются импульсные зондирующие сигналы. Это связано с тем, что их применение позволяет достаточно точно обеспечить измерение дальности до цели и упростить конструкцию РЛС за счет использования общей системы на передачу и прием.

Основными параметрами зондирующих радиоимпульсов являются:

Длина волны (частоты) генерируемых колебаний;

Диапазон перестройки;

Импульсная мощность Р И;

Длительность импульса ф И;

Частота F П или период Т П повторения зондирующих импульсов;

Ширина спектра П И.

По своей структуре радиоимпульсы могут быть:

Когерентными и некогерентными;

Простыми и сложными.

Радиоимпульсы называют когерентными, если начальная фаза колебаний каждого радиоимпульса одинаковая или от импульса к импульсу изменяется по определенному закону. Если же начальная фаза высокочастотных колебаний от импульса к импульсу является случайной величиной, такие радиоимпульсы являются некогерентными.

Спектр последовательности некогерентных радиоимпульсов всегда сплошной, его форма определяется формой спектра одиночного радиоимпульса. Спектр когерентной последовательности ограниченного числа радиоимпульсов является гребенчатым, его огибающая повторяет форму спектра одиночного радиоимпульса. При увеличении числа импульсов в пачке когерентных радиоимпульсов ширина гребней спектра уменьшается, и он приближается к линейчатому.

Радиоимпульсы называют простыми, если произведение ширины спектра П И и длительности импульса ф И, называемой базой сигнала, имеет величину порядка единицы:

Если же В>>1, такой сигнал называется сложным. Достоинством простых сигналов является простота их формирования и оптимальной обработки. Однако их применение ограничивает возможность по технической реализации предъявляемых требований к тактическим характеристикам проектируемой РЛС. Поэтому в современных и тем более перспективных РЛС применяются в основном сложные сигналы двух видов:

Радиоимпульсы с внутриимпульсной линейной (ЛУМ) или нелинейной (НУМ) частотной модуляцией;

Радиоимпульсы с внутриимпульсной фазовой манипуляцией (от латинского «manus» - рука), при которой фаза колебаний в пределах импульса через определенные временные интервалы скачком изменяется на 180є. Поскольку эти скачкообразные изменения происходят по определенному двоичному коду, такие импульсы называются фазокодоманипулированными (ФКМ).

Обоснование требований к техническим характеристикам передатчика осуществляется на основе предъявляемых к РЛС требований к тактическим характеристикам. Поэтому необходимо проанализировать влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на основные тактические характеристики РЛС. Поскольку длина волны является параметром, общим для передатчика, приемника и антенно-волноводной системы, требования к ней должны быть обоснованы на этапе системотехнического проектирования РЛС в целом.

2.2 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на тактические характеристики РЛС

Как известно, максимальная дальность действия РЛС определяется соотношением:

где Э С - энергия сигнала передатчика;

G ПЕР - коэффициент усиления передающей антенны;

А ПР - эффективная площадь приемной антенны;

у Ц - ЭПР цели;

г - коэффициент различимости (или параметр обнаружения);

N 0 - спектральная плотность мощности собственного шума приемника, пересчитанная к его входу.

Рассмотрим подробнее входящие в выражение (2.2) параметры.

Величины G ПЕР и А ПР обосновываются при эскизном проектировании антенны. Если на передачу и прием используется одна антенна, между ними существует связь

Как уже говорилось, длина волны должна быть уже выбрана на этапе системотехнического проектирования РЛС в целом. Эффективная площадь антенны связана с ее геометрической площадью соотношением

где н - коэффициент использование площади раскрыва антенны. Его значение имеет величину порядка 0,5 .. 0,6. Геометрическая площадь ограничена допустимыми габаритами антенны.

Спектральная плотность мощности шумов:

где k = 1,38·10 -23 Дж/к - постоянная Больцмана,

Т 0 - абсолютная температура эквивалентного источника шума (при расчетах принимается Т 0 =290 к),

Ш - коэффициент шума приемника.

С учетом полосы пропускания приемника N 0 определяют предельную чувствительность приемника.

Коэффициент различимости представляет собой отношение сигнал-шум по мощности необходимое для обнаружения сигнала с заданными показателями качества - вероятностью правильного обнаружения и ложной тревоги.

Непосредственно к передатчику относится энергия сигнала генерируемая передатчиком за время облучения цели:

где Р И - импульсная мощность передатчика,

ф И - длительность зондирующего импульса,

М - число импульсов, облучающих цель (число импульсов в пачке).

Число импульсов:

где Дв 0,5 - ширина диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости (в радианах),

Т ОБЗ - период обзора пространства по азимуту.

Параметры Дв 0,5 и Т ОБЗ непосредственно к передатчику не относятся. К нему относятся Р И, ф И, Т П. С точки зрения обеспечения заданной дальности обнаружения необходимо увеличивать Р И, ф И и уменьшать Т П (или увеличивать F П =1/ Т П).

Увеличение F П ограничено значением однозначно измеряемой дальности:

Увеличение импульсной мощности сопровождается повышением требований к электрической прочности тракта генерирования и излучения сигнала, а также приводит к снижению скрытности РЛС и защищенности ее от самонаводящегося оружия.

Увеличение длительности импульса (если это простой импульс) приводит к снижению разрешающей способности по дальности. разрешение противоречий между требованиями по дальности обнаружения и разрешающей способности по дальности возможно на основе перехода к сложным радиоимпульсам, так как разрешающая способность по дальности определяется шириной спектра сигнала П С:

Как известно, потенциальная точность измерения дальности (т.е. предельно достижимая средняя квадратическая ошибка) определяется соотношением

Отсюда видно, что для повышения потенциальной точности необходимо одновременно увеличивать энергию принимаемого сигнала (т.е. увеличивать отношение сигнал-шум

г) и ширину спектра сигнала, что невозможно в случае применения простых радиоимпульсов.

Поэтому, как и для обеспечения заданного значения дальности обнаружения, для реализации требований к точности измерения дальности необходимо применять сложные сигналы.

2.3 Влияние структур и параметров зондирующих радиоимпульсов на помехозащищенность РЛС

Помехозащищенностью РЛС называется способность выполнения ею заданных функций с требуемыми показателями качества в условиях воздействия активных и пассивных помех, как преднамеренных, так и непреднамеренных.

Данная характеристика определяется скрытностью работы РЛС и ее помехоустойчивостью.

Скрытность измеряется вероятностью обнаружения работающей на излучение РЛС средствами радиотехнической разведки противника. Снижение этой вероятности обеспечивается уменьшением импульсной мощности излучаемого сигнала и скачкообразным изменением основных его параметров.

Количественной оценкой помехоустойчивости РЛС является отношение мощности сигнала к мощности помехи на выходе оптимального фильтра, при которой обеспечиваются требуемые значения характеристик обнаружения и точности измерения координат.

Помехоустойчивостью по отношению к активной шумовой помехе обеспечивается увеличением энергии зондирующего сигнала. При этом для обеспечения скрытности необходимо не увеличивать его импульсную мощность. Это противоречие разрешается на основе применения сложных зондирующих сигналов.

Повышение помехоустойчивости РЛС по отношению к воздействию пассивных маскирующих помех достигается повышением разрешающей способности по дальности и скорости. Повышение разрешающей способности по дальности (наряду с повышением разрешающей способности по угловым координатам) приводит к уменьшению разрешаемого объема, а, следовательно, к уменьшению среднего значения ЭПР источника пассивной помехи (облака дипольных отражателей, подстилающей поверхности и т.д.).

Разрешающая способность по скорости позволяет выделять полезный сигнал на основе использования эффекта Доплера. Обеспечение разрешения одновременно по дальности и по скорости связано с необходимостью преодоления известного из теории радиолокации принципа неопределенности. Наиболее полно этому требованию удовлетворяют пачки сложных радиоимпульсов при условии, что длительность пачки ф пач =МТ п значительно превышает временную протяженность пассивной помехи

где ДR пп - радиальный размер пассивной помехи.

Системы, реализующие разрешение целей на фоне пассивных помех на основе использования эффекта Доплера, называются системами селекции движущихся целей (СДЦ). Технически реализация систем СДЦ возможна при использовании когерентных пачек зондирующих радиоимпульсов. При этом возможны различные варианты построения когерентно-импульсных РЛС:

Истинно когерентные РЛС (передатчик формирует когерентную последовательность радиоимпульсов);

Псевдо когерентные РЛС с внутренней когерентностью (передатчик формирует некогерентные радиоимпульса, фазы которых запоминаются так называемым когерентным гетеродином на период повторения зондирующих импульсов);

Псевдо когерентные с внешней когерентностью (для обеспечения когерентности используются сигналы от неподвижных объектов, находящихся в одном элементе разрешения с движущейся целью).

Выбор того или иного варианта построения когерентно-импульсной РЛС определяется требованиями к эффективности функционирования системы СДЦ.

Из изложенного следует, что параметры и структура зондирующих импульсов оказывает существенное влияние на дальность действия РЛС, ее точностные характеристики и разрешающую способность по дальности и скорости. Для обеспечения заданных значений дальности действия и точности измерения координат необходимо увеличивать энергию принимаемого сигнала, для чего при фиксированном значении импульсной мощности зондирующего сигнала необходимо увеличивать длительность одиночного импульса и количество принимаемых импульсов в пачке. Одновременное разрешение по дальности и скорости возможно на основе применения сложных радиоимпульсов.

В данной работе при разработке передающего устройства, мною будет использован ФКМ сигнал, который обеспечит высокую энергетику сигнала, а также помехозащищенность.

3 . РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС

Импульсными РЛС называются такие, в которых дальность до цели определяется путем измерения времени задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульсного сигнала.

Состав структурной схемы радиолокационной станции определяется ее функциями (рисунок 3.1).

В общем случае, для получения информации о целях радиолокационным методом станция должна обеспечивать выполнение следующих функций:

Облучение целей электромагнитной энергией (зондирование зоны обзора);

Прием отраженных от цели эхо-сигналов и выделение их из помех;

Отображение получаемой радиолокационной информации и измерение координат целей;

Определение государственной принадлежности;

Ввод радиолокационной информации в устройство обработки и выдачу ее в каналы связи.

Рисунок 3.1

Выполнение первой функции обеспечивается трактом генерирования и излучения, последовательно осуществляющим ФКМ сигналов, передачу их к антенне и излучение их в пространство. В состав тракта входят: передающее устройство, фидерное устройство и антенна. Функции приема отраженных от цели сигналов и выделение их из помех осуществляются трактом приема и выделения сигналов из помех. Здесь решаются задачи фильтрации, усиления, преобразования сигналов и выделения их из шумов, пассивных и активных помех. Основными элементами тракта являются: антенно-фидерное устройство, приемное устройство, устройство защиты от помех.

Отображение воздушной обстановки в зоне обзора РЛС и определение координат целей решается с помощью оконечных устройств РЛС. Оконечными устройствами РЛС могут быть устройства автоматического измерения и съема координат, индикаторные или другие устройства отображения. Для синхронизации работы передающих, индикаторных устройств и других систем РЛС во времени необходима система запуска.

Для измерения координат с индикаторных устройств или путем автоматической обработки сигналов необходимо формирование специальных масштабных отметок или кода дальности, азимута, высоты.

Опознавание цели осуществляется в специальной системе опознавания, составной частью которой являются наземные радиолокационные запросчики, сопрягаемые с РЛС. Конкретизация элементов структурной схемы импульсной РЛС, состава, назначения и взаимодействия отдельных систем будет рассмотрена далее.

3.1 Тракт генерирования и излучения радиолокационных сигналов

Основными задачами, решаемыми трактом генерирования и излучения импульсной РЛС являются:

Создание импульсов СВЧ высоких энергий заданной структуры, длительности и периодичности;

Канализации энергии этих импульсов от передающего устройства к антенной системе с минимально возможными потерями;

Направленное излучение импульсов электромагнитных волн.

Составными частями тракта, в соответствии с решаемыми задачами, являются передающие устройства, высокочастотные тракты и антенные системы РЛС (рисунок 3.2).

В трактах генерирования и излучения кроме основных перечисленных решаются дополнительные специфические задачи:

Развязка передающего и приемного устройства при работе на излучение и прием;

Ответвление энергии СВЧ дл контроля мощности и спектра зондирующего сигнала, переключение передающего устройства к антенной системе или эквиваленту;

Изменение уровня, структуры сигналов и несущей частоты;

Защита личного состава от облучения.

Рисунок 3.2

3.1.1 Антенное устройство

Антенное устройство РЛС предназначено для:

Преобразование энергии колебаний, генерируемых передатчиком, в энергию электромагнитных волн в пространстве (излучение);

Улавливание энергии электромагнитных волн (эхо-сигналов) с определенного телесного угла пространства и концентрации ее на входе линии приема;

Концентрации энергии электромагнитных волн в определенном телесном угле при излучении;

Выбор направления излучения и приема энергии электромагнитных волн в соответствии с принятым способом обзора пространства.

В импульсной РЛС моменты времени измерения зондирующего сигнала и приема эхо-сигналов разделены, что позволяет обеспечить работу одной и той же антенны на прием и передачу.

Параметры антенных систем в значительной степени определяют боевые возможности радиолокационной станции, такие как дальность действия, форма зоны обзора, время обзора пространства, точность определения угловых координат, разрешающая способность по угловым координатам, помехозащищенность.

Основными параметрами антенного устройства РЛС являются:

Коэффициент усиления антенны;

Форма диаграммы направленности;

Уровень боковых лепестков, диапазонность;

Устойчивость к ветровым нагрузкам, обледенению, воздействию ударных волн;

Возможность быстрой разборки и сборки;

Удобство транспортировки.

Коэффициент усиления антенны G позволяет увеличить дальность действия РЛС, и обеспечивается физическими размерами антенны. Между усилением, размерами антенны и длиной волны существует известное соотношение:

где А - площадь антенны;

л - длина волны;

К А - коэффициент использования поверхности антенны;

з А - коэффициент полезного действия антенны.

Коэффициент усиления антенны связан с коэффициентом направленного действия G Н соотношением:

Форма диаграммы направленности является важной характеристикой антенны. Диаграммой направленности антенны по мощности называется зависимость коэффициента усиления от угловых координат.

Диаграмма направленности характеризуется шириной главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскости по уровню половинной мощности, а также уровнем боковых лепестков. Эти параметры тесно связаны с коэффициентом усиления и геометрическими размерами антенны L r

где L r - размер сечения в соответствующей плоскости;

К r - коэффициент, зависящий от распределения поля в раскрыве антенны (обычно К r =50є..80є).

Форма диаграммы направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости оказывает существенное влияние на такие характеристики РЛС, как точность измерения и разрешающую способность по угловым координатам, помехозащищенность и скорость обзора. Для радиолокационных станций обнаружения, осуществляющих круговой обзор пространства, наиболее рациональной является диаграмма направленности широкая в вертикально и узкая в горизонтальной плоскости.

На изодальностном участке зоны обнаружения коэффициент усиления антенны должен быть приблизительно постоянным. На изовысотном участке зоны обнаружения коэффициент усиления по углу места должен изменятся по закону «косеканс квадрат». При этом на вход приемника при постоянной высоте полета цели и разной дальности приходит сигнал постоянной интенсивности.

Уровень боковых лепестков влияет на интенсивность принимаемых активных помех от помехопостановщиков, пассивных помех от местных предметов и тем самым ухудшает помехозащищенность РЛС. Прием эхо-сигналов целей по боковым лепесткам затрудняет определение их истинного местоположения.

Кроме ухудшения помехозащищенности боковые лепестки вызывают понижение чувствительности приемных каналов за счет приема дополнительных шумов из окружающего пространства. Уровень боковых лепестков существенно зависит от закона распределения поля в раскрыве зеркальной антенны, мощности в отдельных излучателях антенной решетки.

В зеркальных антеннах допустимое значение уровня боковых лепестков составляет 17-23 дБ, в директорных антеннах около 15 дБ. Для ослабления влияния боковых лепестков на помехозащищенность РЛС применяют специальные схемы подавления.

3.1.2 Высокочастотный тракт РЛС

Высокочастотный тракт РЛС осуществляет передачу высокочастотной энергии зондирующих импульсов от передатчика к антенне и принятых эхо-сигналов от антенны на вход приемника.

К основным техническим данным высокочастотных трактов относятся следующие:

Степень согласования высокочастотного тракта с нагрузкой;

Потери энергии в высокочастотном тракте;

Максимальная передаваемая мощность.

Степень согласования высокочастотного тракта с нагрузкой характеризуется коэффициентом стоячей волны напряжения

где - коэффициент отражения;

Комплексные сопротивления нагрузки и линии передачи;

или обратной К СВ величиной - коэффициентом бегущей волны.

Обычно считают, что нагрузка хорошо согласованна с линией передачи, если К СВ < 1,2 и согласована удовлетворительно, если К СВ = 1,2- 2. при К СВ менее 2 от нагрузки отражается менее 11% падающей мощности.

Потери энергии в высокочастотном тракте обусловлены тепловыми потерями в металлических проводящих поверхностях и диэлектрическими потерями линии передачи.

Величину потерь принято характеризовать коэффициентом поглощения. Для линии передач пользуются величиной погонного ослабления, выраженной в децибелах на один метр длины.

Для волноводов рабочее значение величины погонного ослабления составляет 0,01-0,05 дБ/м, для полосковых и коаксиальных линий передач 0,05-0,5 дБ/м. потери тракта РЛС составляют 0,5-1 дБ на передачу и 2-3 дБ на прием.

Предельная мощность высокочастотного тракта ограничивается условиями пробоя и допустимым нагревом диэлектрика линии передачи.

3.2 Тракт приема и выделения сигнала

Тракт приема и выделения эхо-сигналов предназначен для передачи энергии сигналов целей и помех с антенных систем на вход приемных устройств РЛС, усиления и фильтрации сигналов целей на фоне помех. К помеховым сигналам относятся энергия собственных шумов приемных устройств и внешних естественных и преднамеренных источников шума.

4 . ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ РПУ. РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТИ РПУ И КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ

Расчет требуемой импульсной мощности радиопередающего устройства и коэффициента усиления антенны будет произведен для трех диапазонов волн: сантиметрового, дециметрового и метрового.

Вначале сделаем выбор типа антенны и расчет размеров антенны.

4.1 Выбор типа антенны, расчет размеров антенны и коэффициента усиления

Антенна радиолокатора должна иметь диаграмму направленности, обеспечивающую высокую разрешающую способность по угловым координатам. В качестве антенны импульсных РЛС наиболее широкое распространение получили зеркальные параболические антенны. Эти антенны позволяют сравнительно несложно получить диаграмму направленности, обеспечивающую высокие разрешающие способности по угловым координатам и малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Для трехкоординатной РЛС с параллельным обзором по углу места рекомендуется выбрать в качестве формы зеркала либо симметричную вырезку из параболоида вращения, либо параболический цилиндр с фазированной антенной решеткой в качестве облучателя.

а для директорных антенн

где Ди - ширина диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности в соответствующей плоскости;

л - длина волны;

а - размер антенны в соответствующей плоскости;

L - продольный размер директорной антенны.

Следует учитывать, что минимальному значению коэффициента в выражении (4.1) соответствует наибольший уровень боковых лепестков, максимальному значению коэффициента соответствует минимальный уровень боковых лепестков, поэтому для обеспечения высокой помехозащищенности РЛС по боковым лепесткам следует избрать значение коэффициента в выражении (4.1) в пределах 70..90.

Таблица 4.1

После того, как определены вертикальный (а )и горизонтальный(в ) размеры зеркала, следует определить геометрическую площадь антенны

S=(0.8..0.9)ab .(4.3)

Таблица 4.2

Выбор антенны заканчивается расчетом коэффициента усиления антенны

Таблица 4.4

Для определения величины суммарного коэффициента различимости (г?) следует, воспользовавшись кривыми обнаружения (приложение А), по заданным вероятностям правильного обнаружения D и ложной тревоги F Л определить коэффициент различимости при оптимальной обработке г.

Для простого немодулированного радиоимпульса и ФКМ сигнала оптимальная фильтрация одиночного импульса (одиночной дискреты ФКМ сигнала) заменяется квазиоптимальной. При этом возникают потери в отношении сигнал/шум, равные

г С =0,8 дБ.(4.9)

Далее, вместо когерентного накопления используется некогерентное. Потери на некогерентное накопление (г Н) пачки можно определить по соответствующим графикам (приложение Б). если производится цифровая обработка, то следует учесть и потери, вызываемые цифровой обработкой, т.е. учесть шум квантования г Ц. Окончательно:

г? = г + г С + г Н + г Ц.(4.10)

Таблица 4.6

После определения г? может быть найдена энергия зондирующего сигнала по формуле (4.6). энергия зондирующего сигнала связана с импульсной мощностью соотношением

Э=б Р И ф И М,(4.11)

где б - коэффициент, учитывающий непрямоугольность пачки. Рекомендуется выбрать б

Из выражения (4.11) может быть определена импульсная мощность. Для трехкоординатной РЛС полученное значение импульсной мощности необходимо умножить на число каналов по углу места.

4.3 Приблизительный расчет потребляемой от сети мощности

по импульсной мощности можно определить мощность, потребляемую выходным каскадом радиопередающего устройства РЛС от агрегатов питания

где Q=Т/ф И - скважность сигнала,

з Г - КПД генераторного прибора,

з М - КПД модулятора (з М = 0,7..0,8),

з В - КПД выпрямителя (з В = 0,8..0,9),

з Т - КПД трансформатора (з Т = 0,6)

5 . РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РПУ

5.1 Функции, выполняемые радиопередающим устройством

Радиопередающее устройство выполняет следующие функции:

Создает колебания высокой частоты (носитель полезной информации), которые получаются в результате преобразования энергии источников постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Этот процесс называется генерацией, а устройство, в котором создается ток высокой частоты, - генератором.

Осуществляется управление высокочастотными колебаниями.

Необходимость в управлении высокочастотными колебаниями возникает в любой из радиолиний, все многообразие которых может быть приведено к двум основным разновидностям: связным и радиолокационным.

В связных радиолиниях полезная информация закладывается на их передающих концах путем изменения одного или нескольких параметров высокочастотных колебаний (амплитуды, частоты или фазы) по соответствующему закону. Процесс управления высокочастотными колебаниями называется модуляцией, а устройство, с помощью которого осуществляется данный процесс,- модулятором. В радиолокационных системах полезная информация не закладывается на их передающих концах, а возникает при отражении электромагнитных волн от объектов (целей). Тем не менее и в этой разновидности радиолиний также возникает необходимость в первичной модуляции или манипуляции тока высокой частоты для обеспечения возможности извлечения полезной информации в приемном тракте. Радиопередающее устройство состоит из комплекса аппаратуры, обеспечивающей создание модулированного тока высокой частоты. Применительно к радиолокационной системе передатчик предназначен для формирования зондирующего сигнала, а в общем случае - для формирования радиосигнала в соответствии с требованиями, сформулированными при разработке конкретной радиотехнической системы. Кроме отмеченных выше функций - генерации и модуляции - радиопередающее устройство с помощью антенно-фидерной системы осуществляет канализацию и излучение в нужном направлении модулированного или манипулированного тока высокой частоты в виде электромагнитных волн.

5.2 Структурные схемы радиопередающих устройств. Однокаскадная и многокаскадная схемы передатчика

Для выполнения перечисленных выше функций радиопередающее устройство должно состоять из модулятора, высокочастотного генератора, антенны и источников питания. Кроме того, в состав большинства современных передатчиков входит система УБС (управления, блокировки и сигнализации), которая имеет элементы автоматики, контроля и блокировки, обеспечивающие необходимую последовательность включения, возможность поддержания нормального режима работы и управления функционированием радиопередающего устройства.

В зависимости от требований к передатчику они могут выполняться по однокаскадной и многокаскадной схеме. Структурная схема однокаскадного передатчика приведена на рисунке 5.1, в состав которой входят модулятор, генератор с самовозбуждением, фидерный тракт, источник питания, система автоматической подстройки частоты и система управления, блокировки и сигнализации.

Рисунок 5.1 - Однокаскадная схема передатчика

Для повышения выходной мощности передатчика и стабильности частоты генерируемых колебаний передатчики выполняют по многокаскадной схеме (рисунок 5.2) или, как их называют, в виде усилительных цепочек.

Рисунок 5.2 - Многокаскадная схема передатчика

Электромагнитные колебания необходимой стабильности создаются в задающем генераторе (ЗГ), а затем путем умножения их по частоте (УЧ) и усиления по мощности в предварительном усилителе и усилителе мощности первоначальный сигнал доводится до требуемых параметров.

5.3 Разработка структурной схемы радиопередающего устройства

Данное устройство предназначено для формирования в каждом зондировании от одного до четырех ФКМ радиоимпульсов на разных частотах, следующих друг за другом без временного интервала (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3

Для обеспечения высокой стабильности частоты зондирующих сигналов передающее устройство выполнено по схеме «маломощный высокостабильный возбудитель - усилитель мощности» (рисунок 5.4).

Возбудитель формирует ансамбль простых и сложных сигналов. На выходе формирователя при настройке полосовых фильтров на первую, (п -1) и п -ю составляющие выходного сигнала модулятора формируется ансамбль простых радиоимпульсов и ФКМ радиоимпульсов с одинаковыми законами фазовой манипуляции: на выходе 1 - с частотой щ 0 + Щ М (ФКМ), на выходе 2 - с частотой щ 0 + (п -1)Щ М (ФКМ при четном п , простой при нечетном п ), на выходе 4 - с частотой щ 0 - п Щ М (ФКМ при нечетном п , простой при четном п ), на выходе 3 - с частотой (2п -1)Щ М (ФКМ при любом п ). возможны и другие комбинации сигналов в зависимости от настройки полосовых фильтров.

Когерентность импульсов промежуточной частоты обеспечивается следующим образом. Непрерывное напряжение промежуточной частоты от синтезатора частоты поступает в систему синхронизации, где преобразуется в последовательность тактовых импульсов (ТИ), из которых в каждом периоде повторения формируются строб-импульсы. Строб-импульсы, длительностью ф И каждый, следуют друг за другом без временного интервала. Фронт каждого из них жестко связан с фазой напряжения промежуточной частоты. Ключевые схемы открываются на время соответствующее длительности строб-импульса.

Рисунок 5.4 - Радиопередающее устройство

Таким образом, использование одного и того же высокостабильного по частоте напряжения промежуточной частоты для формирования зондирующих импульсов обеспечивает получение когерентной последовательности импульсов и высокую стабильность их повторения.

Усилитель мощности служит для усиления до необходимого уровня высокочастотных импульсных сигналов, поступающих с возбудителя.

С целью ослабления эффекта «слепых» скоростей, а также для защиты РЛС от противорадиолокационных ракет, применяется вобуляция частоты посылок зондирующих импульсов. Регулировка полосовых фильтров позволяет формировать различную комбинацию сигналов, что увеличивает помехозащищенность РЛС.

Заключение

Военно-политическая обстановка в мире несмотря на все усилия нашей страны продолжает оставаться напряженной, в следствии расширения блока НАТО на Восток за счет стран бывшего социалистического содружества (Чехии, Венгрия, Польша), а также стран бывших Республик СССР. Следовательно не снижается вероятность того, что противник в любой момент способен нанести массированный удар по важным военным государственным объектам.

В тоже время вероятный противник не прекращает совершенствование боевой техники, создаются новые типы ПРЛР, истребителей, бомбардировщиков, КР, УР, авиабомб. Совершенствуется аппаратура защиты летательных аппаратов в том числе комплексы РЭБ, включающие в свой состав аппаратуру постановки активных и пассивных помех.

Для эффективного противодействия СВН вероятного противника, необходимые средства разведки, которые были бы способны обнаруживать воздушные объекты на максимальных дальностях и были бы защищены от активных и пассивных помех.

В результате выполнения данной работы был произведен анализ тактики применение СВКН и их влияния возможности обнаружения воздушных объектов. Произведен анализ способов формирования и видов зондирующих сигналов, на его основе произведен расчет характеристик и разработана предложение по совершенствованию передающего устройства. Разработанный возбудитель ФКМ сигнала, обеспечивает формирование ансамбля простых и ФКМ сигналов. Данное устройство позволяет увеличить помехозащищенность РЛС от активных и пассивных помех, а также обеспечивает обнаружение СВКН противника на дальних рубежах обнаружения.

Приложение А

Показатели качества оптимального обнаружения когерентных сигналов со случайными параметрами

Сигнал с полностью известными параметрами

Сигнал с равномерным распределением фазы

Приложение Б

График усредненных потерь, получающихся при накоплении некогерентной пачки, состоящей из М импульсов и используемый для расчета потерь при визуальном отображении сигнала на экране ИКО

График потерь цифрового некогерентного накопления

(п - число накапливаемых импульсов)

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Разработка проекта импульсного приёмника радиолокационной станции (РЛС) дециметрового диапазона. Классификация радиолокации, параметры качества приема. Расчёт параметров узлов схемы структурной приёмника. Определение полосы пропускания приёмника.

дипломная работа , добавлен 21.05.2009


Системы посадки самолетов метрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов: назначение, состав и внутренняя структура, типы и сравнительное описание. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap, технико-экономическое обоснование проекта.

курсовая работа , добавлен 23.09.2013


Разработка многофункционального приемопередающего устройства для сбора информации со внешних устройств - датчиков. Обзор ресиверов диапазона 433 МГц. Расчет микрополосковой антенны на центральной частоте. Расчет затрат на изготовление опытного образца.

дипломная работа , добавлен 20.10.2013


Общая характеристика зеркальной антенны, ее назначение и применение. Расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Определение коэффициента усиления с учетом неточности изготовления зеркала.

курсовая работа , добавлен 18.01.2014


Типы синтезаторов частоты. Методы и приборы генерации сигналов средневолнового диапазона и способы их излучения. Разработка структурной схемы проектируемого устройства, обеспечение его питания. Исследование синтезатора частот средневолнового диапазона.

дипломная работа , добавлен 23.09.2016


Разработка функциональной блок-схемы, расчет цепей настройки варикапов и входной, элементов колебательного контура УСЧ и первого каскада УПЧ с целью проектирования портативного радиовещательного приемника длинноволнового диапазона по заданным параметрам.

курсовая работа , добавлен 27.01.2010


Программа моделирования высокочастотных электромагнитных полей CST Microwave Studio. Проектирование основных узлов лампы бегущей волны (ЛБВ) W-диапазона. Замедляющая, электронно-оптическая, фокусирующая системы ЛБВ. Выводы энергии из замедляющей системы.

дипломная работа , добавлен 27.09.2016


Разработка структурной схемы радиопередающего устройства для однополосной телефонии. Расчет выходного каскада, коллекторной цепи, выходного согласующего устройства, транзисторного автогенератора. Выбор транзистора. Обзор требований к источнику питания.

курсовая работа , добавлен 02.04.2013


Обоснование, выбор и расчет тактико-технических характеристик самолетной радиолокационной станции. Определение параметров излучения и максимальной дальности действия. Оценка параметров цели. Описание обобщённой структурной схемы радиолокационной станции.

курсовая работа , добавлен 23.11.2010


Разработка радиопередающего устройства, работающего в режиме однополосной модуляции, получившего широкое распространение в качестве связного, так как речевой сигнал достаточно узкополосен. Расчёт входной цепи транзистора, расчет кварцевого автогенератора.

Современная война стремительна и быстротечна. Зачастую победителем в боевом столкновении выходит тот, кто первым сумеет обнаружить потенциальную угрозу и адекватно на нее среагировать. Уже более семидесяти лет для поиска противника на суше, море и в воздухе используется метод радиолокации, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от различных объектов. Устройства, посылающие и принимающие подобные сигналы, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радарами.

Термин «радар» - это английская аббревиатура (radio detection and ranging), которая была запущена в оборот в 1941 году, но давно уже стала самостоятельным словом и вошла в большинство языков мира.

Изобретение радара – это, безусловно, знаковое событие. Современный мир трудно представить без радиолокационных станций. Их используют в авиации, в морских перевозках, с помощью РЛС предсказывается погода, выявляются нарушители правил дорожного движения, производится сканирование земной поверхности. Радиолокационные комплексы (РЛК) нашли свое применение в космической промышленности и в системах навигации.

Однако наиболее широкое применение радары нашли в военном деле. Следует сказать, что эта технология изначально создавалась для военных нужд и дошла до стадии практической реализации перед самым началом Второй мировой войны . Все крупнейшие страны-участницы этого конфликта активно (и не без результата) использовали радиолокационные станции для разведки и обнаружения судов и самолетов противника. Можно уверенно утверждать, что применение радаров решило исход нескольких знаковых сражений как в Европе, так и на Тихоокеанском театре боевых действий.

Сегодня РЛС используются для решения чрезвычайно широкого спектра военных задач, от отслеживания запуска межконтинентальных баллистических ракет до артиллерийской разведки. Каждый самолет, вертолет, военный корабль имеет собственный радиолокационный комплекс. Радары являются основой системы противовоздушной обороны. Новейший радиолокационный комплекс с фазированной антенной решеткой будет установлен на перспективный российский танк «Армата». Вообще же, многообразие современных радаров поражает. Это абсолютно разные устройства, которые отличаются размерами, характеристиками и назначением.

С уверенностью можно заявить, что сегодня Россия является одним из признанных мировых лидеров в области разработки и производства РЛС. Однако прежде чем говорить о тенденциях развития радиолокационных комплексов, следует сказать несколько слов о принципах работы радаров, а также об истории радиолокационных систем.

Как работает радиолокатор

Локацией называют способ (или процесс) определения месторасположения чего-либо. Соответственно, радиолокация – это метод обнаружения предмета или объекта в пространстве при помощи радиоволн, которые излучает и принимает устройство под название радиолокатор или РЛС.

Физический принцип работы первичного или пассивного радара довольно прост: он передает в пространство радиоволны, которые отражаются от окружающих предметов и возвращаются к нему в виде отраженных сигналов. Анализируя их, радар способен обнаружить объект в определенной точке пространства, а также показать его основные характеристики: скорость, высоту, размер. Любая РЛС – это сложное радиотехническое устройство, состоящее из многих компонентов.

В состав любого радара входит три основных элемента: передатчик сигнала, антенна и приёмник. Все радиолокационные станции можно разделить на две большие группы:

• импульсные;
• непрерывного действия.

Передатчик импульсной РЛС испускает электромагнитные волны в течение краткого промежутка времени (доли секунды), следующий сигнал посылается только после того, как первый импульс вернется обратно и попадет в приемник. Частота повторения импульса – одна из важнейших характеристик РЛС. Радиолокаторы низкой частоты посылают несколько сотен импульсов в минуту.

Антенна импульсного радара работает и на прием, и на передачу. После испускания сигнала передатчик отключается на время и включается приёмник. После его приема происходит обратный процесс.

Импульсные РЛС имеют как недостатки, так и преимущества. Они могут определять дальность сразу нескольких целей, подобный радар вполне может обходиться одной антенной, индикаторы подобных устройств отличаются простотой. Однако при этом сигнал, испускаемый подобным РЛС должен иметь довольно большую мощность. Также можно добавить, что все современные радары сопровождения выполнены по импульсной схеме.

В импульсных радиолокационных станциях в качестве источника сигнала обычно используют магнетроны, или лампы бегущей волны.

Антенна РЛС фокусирует электромагнитный сигнал и направляет его, улавливает отраженный импульс и передает его в приемник. Существуют радиолокаторы, в которых прием и передача сигнала производятся разными антеннами, причем они могут находиться друг от друга на значительном расстоянии. Антенна РЛС способна испускать электромагнитные волны по кругу или работать в определенном секторе. Луч радара может быть направлен по спирали или иметь форму конуса. Если нужно, РЛС может следить за движущейся целью, постоянно направляя на нее антенну с помощью специальных систем.

В функции приемника входит обработка полученной информации и передача ее на экран, с которого она считывается оператором.

Кроме импульсных РЛС, существуют и радары непрерывного действия, которые постоянно испускают электромагнитные волны. Такие радиолокационные станции в своей работе используют эффект Доплера. Он заключается в том, что частота электромагнитной волны, отраженной от объекта, который приближается к источнику сигнала, будет выше, чем от удаляющегося объекта. При этом частота испускаемого импульса остается неизменной. Радиолокаторы подобного типа не фиксируют неподвижные объекты, их приемник улавливает лишь волны с частотой выше или ниже испускаемой.

Типичным доплеровским радиолокатором является радар, который используют сотрудники дорожной полиции для определения скорости автомобилей.

Основной проблемой радаров непрерывного действия является невозможность с их помощью определять расстояние до объекта, зато при их работе не возникает помех от неподвижных предметов между РЛС и целью или за ней. Кроме того, доплеровские радары – это довольно простые устройства, которым для работы достаточно сигналов малой мощности. Также нужно отметить, что современные радиолокационные станции с непрерывным излучением имеют возможность определять расстояние до объекта. Для этого используется изменение частоты РЛС во время работы.

Одной из главных проблем в работе импульсных РЛС являются помехи, которые идут от неподвижных объектов — как правило, это земная поверхность, горы, холмы. При работе бортовых импульсных радаров самолетов все объекты, находящиеся ниже, «затеняются» сигналом, отраженным от земной поверхности. Если говорить о наземных или судовых радиолокационных комплексах, то для них эта проблема проявляется в обнаружении целей, летящих на малых высотах. Чтобы устранить подобные помехи используется все тот же эффект Доплера.

Кроме первичных РЛС, существуют и так называемые вторичные радиолокаторы, которые используются в авиации для опознания воздушных судов. В состав таких радиолокационных комплексов, кроме передатчика, антенны и приемного устройства, входит еще и самолетный ответчик. При облучении его электромагнитным сигналом ответчик выдает дополнительную информацию о высоте, маршруте, номере борта, его государственной принадлежности.

Также радиолокационные станции можно разделить по длине и частоте волны, на которой они работают. Например, для исследования поверхности Земли, а также для работы на значительных дистанциях используются волны 0,9-6 м (частота 50-330 МГц) и 0,3-1 м (частота 300-1000 МГц). Для управления воздушным движением применяется РЛС с длиной волны 7,5-15 см, а загоризонтные радары станций обнаружения ракетных пусков работают на волнах с длиной от 10 до 100 метров.

История радиолокации

Идея радиолокации возникла практически сразу после открытия радиоволн. В 1905 году сотрудник немецкой компании Siemens Кристиан Хюльсмейер создал устройство, которое с помощью радиоволн могло обнаружить крупные металлические объекты. Изобретатель предлагал устанавливать его на кораблях, чтобы они могли избегать столкновений в условиях плохой видимости. Однако судовые компании не заинтересовались новым прибором.

Проводились эксперименты с радиолокацией и в России. Еще в конце XIX века русский ученый Попов обнаружил, что металлические объекты препятствуют распространению радиоволн.

В начале 20-х годов американские инженеры Альберт Тейлор и Лeo Янг сумели с помощью радиоволн засечь проплывающее судно. Однако состояние радиотехнической промышленности того времени было таково, что создать промышленные образцы радиолокационных станций было затруднительно.

Первые радиолокационные станции, которые можно было использовать для решения практических задач, появились в Англии примерно в середине 30-х годов. Эти устройства были очень большими, устанавливать их можно было только на суше или на палубе больших кораблей. Только в 1937 году был создан прототип миниатюрной РЛС, которую можно было установить на самолет. К началу Второй мировой войны англичане имели развернутую цепь радиолокационных станций под названием Chain Home.

Занимались новым перспективным направлением и в Германии. Причем, нужно сказать, небезуспешно. Уже в 1935 году главнокомандующему германского флота Редеру был продемонстрирован действующий радиолокатор с электронно-лучевым дисплеем. Позже на его основе были созданы серийные образцы РЛС: Seetakt для военно-морских сил и Freya для ПВО. В 1940 году в немецкую армию стала поступать система радиолокационная управления огнем Würzburg.

Однако несмотря на очевидные достижения германских ученых и инженеров в области радиолокации, немецкая армия начала использовать радиолокаторы позже англичан. Гитлер и верхушка Рейха считали радары исключительно оборонительным оружием, которое не слишком нужно победоносной немецкой армии. Именно по этой причине к началу битвы за Британию у немцев было развернуто только восемь радиолокационных станции Freya, хотя по своим характеристикам они как минимум не уступали английским аналогам. В целом же можно сказать, что именно успешное использование радаров во многом определило исход битвы за Британию и последующее противостояние между Люфтваффе и ВВС союзников в небе Европы.

Позже немцы на основе системы Würzburg создали рубеж ПВО, который получил название «линии Каммхубера». Используя подразделения специального назначения, союзники сумели разгадать секреты работы немецких радаров, что позволило эффективно глушить их.

Несмотря на то, что англичане вступили в «радарную» гонку позже американцев и немцев, на финише они сумели обогнать их и подойти к началу Второй мировой войны с самой продвинутой системой радиолокационного обнаружения самолетов.

Уже в сентябре 1935 года англичане приступили к постройке сети радиолокационных станций, в состав которой перед войной уже входили двадцать РЛС. Она полностью перекрывала подлет к Британским островам со стороны европейского побережья. Летом 1940 года британскими инженерами был создан резонансный магнетрон, позже ставший основой бортовых радиолокационных станций, устанавливаемых на американских и британских самолетах.

Работы в области военной радиолокации велись и в Советском Союзе. Первые успешные эксперименты по обнаружению самолетов с помощью радиолокационных станций в СССР были проведены еще в середине 30-х годов. В 1939 году на вооружение РККА была принята первая РЛС РУС-1, а в 1940 году – РУС-2. Обе эти станции были запущены в серийное производство.

Вторая мировая война наглядно показала высокую эффективность использования радиолокационных станций. Поэтому после ее окончания разработка новых РЛС стала одним из приоритетных направлений развития военной техники. Бортовые радиолокаторы со временем получили все без исключения военные самолеты и корабли, РЛС стали основой для систем противовоздушной обороны.

В период Холодной войны у США и СССР появилось новое разрушительное оружие – межконтинентальные баллистические ракеты. Обнаружение запуска этих ракет стало вопросом жизни и смерти. Советский ученый Николай Кабанов предложил идею использования коротких радиоволн для обнаружения самолетов противника на больших расстояниях (до 3 тыс. км). Она была довольно проста: Кабанов выяснил, что радиоволны длиной 10-100 метров способны отражаться от ионосферы, и облучая цели на поверхности земли, возвращаться тем же путем к РЛС.

Позже на основе этой идеи были разработаны радиолокаторы загоризонтного обнаружения запуска баллистических ракет. Примером таких РЛС может служить «Дарьял» - радиолокационная станция, которая несколько десятилетий была основой советской системы предупреждения о ракетных пусках.

В настоящее время одним из самых перспективных направлений развития радиолокационной техники считается создание РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР). Подобные радары имеют не один, а сотни излучателей радиоволн, работой которых руководит мощный компьютер. Радиоволны, испускаемые разными источниками в ФАР, могут усиливать друг друга, если они совпадают по фазе, или же, наоборот, ослаблять.

Сигналу РЛС с фазированной решеткой можно придавать любую необходимую форму, его можно перемещать в пространстве без изменения положения самой антенны, работать с разными частотами излучения. РЛС с фазированной решеткой гораздо надежней и чувствительней, чем радиолокатор с обычной антенной. Однако у подобных радаров есть и недостатки: большой проблемой является охлаждение РЛС с ФАР, кроме того, они сложны в производстве и дорого стоят.

Новые радиолокационные станции с фазированной решеткой устанавливаются на истребители пятого поколения. Эта технология используется в американской системе раннего предупреждения о ракетном нападении. Радиолокационный комплекс с ФАР будет установлен на новейший российский танк «Армата». Следует отметить, что Россия является одним из мировых лидеров в разработке радиолокаторов с ФАР.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Принцип работы импульсной РЛС можно уяснить, рассмотрев «Упрощенную структурную схему импульсной РЛС (рис. 3.1, слайд 20, 25 ) и графики, поясняющие работу импульсного радиолокатора (рис. 3.2, слайд 21, 26 ).

Работу импульсной РЛС лучше всего начать рассматривать с блока синхронизации (блока запуска) станции. Этот блок задает «ритм» работы станции: он задает частоту повторения зондирующих сигналов, синхронизирует работу индикаторного устройства с работой передатчика станции. Синхронизатор вырабатывает кратковременные остроконечные импульсы И зап с определенной частотой повторения Т п . Конструктивно синхронизатор может быть выполнен в виде отдельного блока или представлять единое целое с модулятором станции.

Модулятор управляет работой генератора СВЧ, включает и выключает его. Модулятор запускается импульсами синхронизатора и формирует мощные прямоугольные импульсы необходимой амплитуды U м и длительности τ и . Генератор СВЧ включается в работу только при наличии импульсов модулятора. Частота включения генератора СВЧ, а, следовательно, и частота повторения зондирующих импульсов определяется частотой импульсов синхронизатора Т п . Продолжительность работы генератора СВЧ при каждом его включении (то есть длительность зондирующего импульса) зависит от длительности формирующего в модуляторе импульса τ и . Длительность импульса модулятора τ и обычно составляет единицы микросекунд, а паузы между ними – сотни и тысячи микросекунды.

Под действием напряжения модулятора генератор СВЧ формирует мощные радиоимпульсы U ген , длительность и форма которых определяется длительностью и формой импульсов модулятора. Колебания высокой частоты, то есть зондирующие импульсы от генератора СВЧ, поступают через антенный переключатель в антенну. Частота колебаний радиоимпульсов определяется параметрами генератора СВЧ.

Антенный переключатель (АП) обеспечивает возможность работы передатчика и приемника на одну общую антенну. На время генерации зондирующего импульса (мкс) он подключает антенну к выходу передатчика и блокирует вход приемника, а на нее остальное время (время паузы – сотни, тысячи мкс) подключает антенну к входу приемника и отключает ее от передатчика. В импульсный РЛС в качестве антенных переключателей применяются автоматические быстродействующие переключатели.

Антенна преобразует колебания СВЧ в электромагнитную энергию (радиоволны) и фокусирует ее в узкий пучок. Отраженные от цели сигналы принимаются антенной, проходят через антенный переключатель и поступают на вход приемника U с , где они селектируются, усиливаются, детектируются и через аппаратуру защиты от помех подаются на индикаторные устройства.

Аппаратура защиты от помех включается только при наличии в зоне действия РЛС пассивных и активных помех. Подробно эта аппаратура будет изучаться в теме 7.

Индикаторное устройство является оконечным устройством РЛС и служит для отображения и съема радиолокационной информации. Электрическая схема и конструкция индикаторных устройств определяется практическим назначением станции и могут быть весьма различными. Например , для РЛС обнаружения с помощью индикаторных устройств должна воспроизводиться воздушная обстановка и определяться координаты целей Д и β. Эти индикаторы называются индикаторами кругового обзора (ИКО). В РЛС измерения высоты полета цели (высотомерах) используются индикаторы высоты. Индикаторы дальности измеряют только дальность до цели и используются для контроля.

Для точного определения дальности необходимо измерять интервал времени t з (десятки и сотни мкс) с высокой точностью, то есть требуются приборы с весьма малой инерционностью. Поэтому в индикаторах дальности в качестве измерительных приборов используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).

Примечание. Принцип измерения дальности был изучен в занятии 1, поэтому при изучении этого вопроса основное внимание уделить формированию развертки на ИКО.

Сущность измерения дальности (время запаздывания t з ) с помощью ЭЛТ можно пояснить на примере использования линейной развертки в трубке с электростатическим управлением электронным лучом.

При линейной развертке в ЭЛТ электронный луч под действием напряжения развертки U р периодически перемещается с постоянной скоростью по прямой слева направо (рис. 1.7,слайд 9, 12 ). Напряжение развертки вырабатывается специальным генератором развертки, который запускается тем же импульсом синхронизатора, что и модулятор передатчика. Поэтому движение луча по экрану начинается каждый раз в момент посылки зондирующего импульса.

При использовании амплитудной отметки цели отраженный сигнал, поступающий с выхода приемника, вызывает отклонение луча в перпендикулярном направлении. Таким образом, отраженный сигнал можно видеть на экране трубки. Чем дальше находится цель, тем больше времени проходит до момента появления отраженного импульса и дальше вправо успевает переместиться луч вдоль линии развертки. Очевидно, каждой точке линии развертки соответствует определенный момент прихода отраженного сигнала и, следовательно, определенное значение дальности.

В РЛС, работающих в режиме кругового обзора, используются индикаторы кругового обзора (ИКО) и ЭЛТ с электромагнитным отклонением луча и яркостной отметкой. Антенна РЛС с узконаправленным лучом (ДН) перемещается механизмом вращения антенны в горизонтальной плоскости и «просматривает» окружающее пространство (рис. 3.3, слайд,

На ИКО линия развертки дальности вращается по азимуту синхронно с антенной, а начало движения электронного луча от центра трубки в радиальном направлении совпадает с моментом излучения зондирующего импульса. Синхронное вращение развертки на ИКО с антенной РЛС осуществляется при помощи силового синхронного привода (ССП). Ответные сигналы высвечиваются на экране индикатора в виде яркостной отметки.

ИКО позволяет одновременно определять дальность Д и азимут β цели. Для удобства отсчета на экране ИКО электронным способом наносятся масштабные отметки дальности, имеющие вид окружностей и масштабные отметки азимута в виде ярких радиальных линий (рис. 3.3, слайд, 8, 27 ).

Примечание. Используя телевизионную установку и карточку ТВ предложить студентам определить координаты целей. Указать масштаб индикатора: отметки дальности следуют через 10 км, отметки азимута – через 10 градусов.

В Ы В О Д

(слайд 28)

Определение дальности до объекта при импульсном методе сводится к измерению времени запаздывания t з отраженного сигнала относительно зондирующего импульса. Момент излучения зондирующего импульса берется за начало отсчета времени распространения радиоволн.

Достоинства импульсных РЛС:

удобство визуального наблюдения одновременно всех целей, облучаемых антенной в виде отметок на экране индикаторов;

поочередная работа передатчика и приемника позволяет использовать одну общую антенну для передачи и приема.

Второй учебный вопрос.

Основные показатели импульсного метода

Основными показателями импульсного метода являются (слайд 29) :

Однозначно определяемая максимальная дальность, Д ;

разрешающая способность по дальности, δД ;

минимальная определяемая дальность, Д min .

Рассмотрим эти показатели.

Однозначно определяемая максимальная дальность

Максимальная дальность действия РЛС определяется основной формулой радиолокации и зависит от параметров РЛС.

Однозначность определения дальности до объекта зависит от периода следования зондирующих импульсов Т п . Далее этот вопрос изложить следующим образом.

Максимальная дальность действия РЛС равна 300 км. Определить время задержки до цели, находящейся на этой дальности

Период повторения зондирующих импульсов выбран равным 1000 мкс. Определить дальность до цели, время задержки до которой равно Т п

В воздушном пространстве находятся две цели: цель № 1 на дальности 100 км и цель № 2 на дальности 200 км. Как будут выглядеть отметки от этих целей на индикаторе РЛС (рис. 3.4, слайд 22, 30 ).

При зондировании пространства импульсами с периодом повторения 1000 мкс отметка от цели № 1 будет высвечиваться на дальности 50 км, так как после дальности 150 км начнется новый период развертки и дальняя цель даст отметку в начале шкалы (на дистанции 50 км). Отсчитанная дальность не соответствует реальной.

Как исключить неоднозначность в определении дальности?

После обобщения ответов студентов сделать вывод:

Для однозначного определения дальности необходимо период повторения зондирующих импульсов выбирать в соответствии с заданной максимальной дальностью действия РЛС, то есть

Для заданной дальности 300 км период повторения зондирующих импульсов должен быть больше 2000 мкс или частота повторения должна быть меньше 500 Гц.

Кроме того, максимально определяемая дальность зависит от ширины ДНА, скорости вращения антенны и необходимого числа импульсов, отраженных от цели за один оборот антенны.

Разрешающей способностью по дальности (δД) называется то минимальное расстояние между двумя целями, находящимися на одном азимуте и угле места, при котором отраженные от них сигналы наблюдаются на экране индикатора еще раздельно (рис. 3.5, слайд 23, 31, 32 ).

При заданной длительности зондирующего импульса τ и и расстоянии между целями ∆Д 1 цели № 1 и № 2 облучаются раздельно. При той же длительности импульса, но при расстоянии между целями ∆Д 2 цели № 3 и № 4 облучаются одновременно. Следовательно, в первом случае на экране ИКО будут видны раздельно, а во втором – слитно. Отсюда вытекает, что для раздельного приема импульсных сигналов необходимо, чтобы интервал времени между моментами их приема был больше длительности импульса τ и (∆ t > τ и )

Минимальная разность (Д 2 – Д 1 ), при которой цели видны на экране раздельно, по определению есть разрешающая способность по дальности δД, следовательно

Помимо длительности импульса τ и на разрешающую способность станции по дальности оказывает влияние разрешающая способность индикатора, определяемая масштабом развертки и минимальным диаметром светящегося пятна на экране ЭЛТ (d п ≈ 1 мм). Чем крупнее масштаб развертки дальности и лучше фокусировка луча ЭЛТ, тем лучше разрешающая способность индикатора.

В общем случае разрешающая способность РЛС по дальности равна

где δД и – разрешающая способность индикатора.

Чем меньше δД , тем лучше разрешающая способность. Обычно разрешающая способность РЛС по дальности имеет величину δД = (0,5...5) км.

В отличие от разрешающей способности по дальности разрешающая способность по угловым координатам (по азимуту δβ и углу места δε ) не зависит от метода радиолокации и определяется шириной диаграммы направленности антенны в соответствующей плоскости, которую принято отсчитывать по уровню половинной мощности.

Разрешающая способность РЛС по азимуту δβ о равна:

δβ о = φ 0,5р о + δβ и о ,

где φ 0,5р о – ширина диаграммы направленности по половинной мощности в горизонтальной плоскости;

δβ и о - разрешающая способность по азимуту индикаторной аппаратуры.

Высокие разрешающие способности РЛС позволяют раздельно наблюдать и определять координаты близко расположенных целей.

Минимальная определяемая дальность – это наименьшее расстояние, на котором станция еще может обнаруживать цель. Иногда пространства вокруг станции, в котором цели не обнаруживаются, называют «мертвой» зоной (слайд 33 ).

Использование в импульсной РЛС одной антенны для передачи зондирующих импульсов и приема отраженных сигналов требует отключения приемника на время излучения зондирующего импульса τ u . Поэтому отраженные сигналы, приходящие к станции в момент, когда ее приемник не подключен к антенне, не будут приняты и зарегистрированы на индикаторах. Продолжительность времени, в течение которого приемник не может принимать отраженные сигналы, определяется длительностью зондирующего импульса τ u и временем, необходимым для переключения антенны с передачи на прием после воздействия на него зондирующего импульса передатчика t в .

Зная это время, значение минимальной дальности Д min импульсной РЛС можно определить по формуле

где τ u - длительность зондирующего импульса РЛС;

t в - время включения приемника после окончания зондирующего импульса передатчика (единицы – мкс).

Например . При τ u = 10мкс Д min = 1500 м

при τ u = 1 мкс Д min = 150 м.

Следует иметь ввиду, что к увеличению радиуса «мертвой» зоны Д min приводит наличие на экране индикатора отраженный от местных предметов и ограниченность пределов поворота антенны по углу места.

В Ы В О Д

Импульсный метод радиолокации эффективен при измерении дальностей объектов, находящихся на больших расстояниях.

Третий учебный вопрос

Метод непрерывного излучения

Наряду с использованием импульсного метода радиолокации можно осуществить с помощью установок с непрерывным излучением энергии. При непрерывном методе излучения представляется возможность посылать большую энергию в направлении на цель.

Наряду с преимуществом энергетического порядка метод непрерывного излучения по ряду показателей уступает импульсному методу. В зависимости от того, какой параметр отраженного сигнала служат основой для измерения дальности до цели, при непрерывном методе радиолокации различают:

фазовый (фазометрический) метод радиолокации;

частотный метод радиолокации.

Возможны также комбинированные методы радиолокации, в частности, импульсно-фазовый и импульсно-частотный.

При фазовом методе радиолокации о расстоянии до цели до цели судят по разности фаз излучаемых и принимаемых отраженных колебаний. Первые фазометрические методы измерения расстояния были предложены и разработаны академиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Эти методы нашли применение в длинноволновых авиационных радионавигационных системах большого радиуса действия.

При частотном методе радиолокации о расстоянии до цели судят по частоте биений между прямым и отраженным сигналами.

Примечание. Изучение этих методов студенты проводят самостоятельно. Литература: Слуцкий В.З. Импульсная техника и основы радиолокации. С. 227-236.

В Ы В О Д

Определение дальности до объекта при импульсном методе сводится к изменению времени запаздывания t зап отраженного сигнала относительно зондирующего импульса.

Для однозначности определения дальности до объекта необходимо, чтобы t зап.мах ≤ Т п.

Разрешающая способность по дальности δД тем лучше, чем меньше длительность зондирующего импульса τ u .