Методичка: Радиолокационные системы

6. Коэффициент направленного действия и ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора

КНД параболической антенны РЛС равен

,

где - эффективная площадь антенны;

- размер параболической антенны.

Ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) равна:

=.

КПД волнового тракта приемопередатчика - , лежит в

пределах 0,7 0,9.

7. Отношение сигнал/шум

Для определения чувствительности приемного устройства необходимо знание отношения сигнал/шум, при котором должен работать разрабатываемый радиолокатор. Оно зависит от статистических характеристик обнаружения сигнала q=f(D,F) и может быть определено аналитически или из кривых обнаружения [41], примерный ход которых имеет вид, показанный на рис. 5.2

Для определения требуемого отношения сигнал/шум на характеристиках обнаружения следует задаться вероятностью правильного обнаружения D (по оси ординат) при параметре кривой, соответствующей вероятности ложной тревоги F. На графике Рис.5.2 показано определение отношения сигнал/шум для D=0,6 и F=10-6, которое оказалось равным шести.

Рис. 5.2 Характеристики обнаружения для сигнала со случайной начальной фазой:

тонкая линия - для нефлюктуирующего сигнала;

жирная линия для - дружно флюктуирующего сигнала.

11. Чувствительность приемного тракта

Чувствительность приемника (минимальная энергия сигнала на входе приемного устройства) рассчитывается по формуле:

,

где - коэффициент шума приемника (шумфактор), который рассчитывается в полосе пропускания. Всегда из-за внутренних шумов приемника. Величину можно выбрать с помощью таблицы 5.2 [14] для определенной схемы построения приемника.

Чувствительность приёмника должна быть наивысшей, которую возможно обеспечить на данном этапе развития электронной техники и в данных условиях эксплуатации РЛС. Это требование исходит из того, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты и вес радиолокатора в целом за счет уменьшения мощности передатчика. В общем случае приемник не является оптимальным, для которого была определена величина Q. Поэтому величина отношения сигнал/шум должна быть увеличена на коэффициент , учитывающий потери на неоптимальность приемника.

Таблица 5.2

Обычно разделяют на целый ряд составляющих . Как правило, учитывают две основные составляющие потерь:

- характеризующую потери на несогласованность полосы пропускания приемника со спектром принимаемого сигнала;

- потери на неоптимальную обработку при накоплении пачки принимаемых импульсов.

Часто полоса ПРМ выбирается из условия , тогда .

Следовательно, .

Потери на неоптимальность накопления некогерентных сигналов при n10. Величина, характеризующая отношения ЕС/ЕШ в одиночном импульсе, называется коэффициентом различимости и равна:

.

9. Эффективная поверхность рассеяния цели.

При расчете ТТХ необходимо знать эффективную поверхность рассеяния целей, с которыми должен работать проектируемый радиолокатор. Если цель точечная, характерная для первичного обзорного наземного радиолокатора, ее ЭПР можно выбрать с помощью таблицы 5.3

Таблица 5.3

Для определения мощности передающего устройства при обзоре подстилающей поверхности или метеообразований бортовой РЛС ЭПР цели определяется выражением [ 1 ]:

,

где - коэффициент обратного отражения, который может быть принят равным 0,001 для песчаной почвы;

- ширина ДНА в азимутальной плоскости;

- ширина ДНА в вертикальной плоскости .

Так, например, для дальности 600 км и игольчатого луча 0,05 радиан ЭПР цели равна:

,

а для дальности 20 км

.

Для объемно распределенной цели, например, при зондировании метеообразований, согласно [ 1 ]:

12. Мощность радиопередающего устройства

Конечным этапом расчета тактико-технических характеристик является расчет мощности радиопередающего устройства, которая определяется из основного уравнения радиолокации:

- импульсная мощность,

- средняя мощность радиолокатора,

где -скважность.

При получении чрезмерно большой величины мощности весь расчет следует повторить сначала, задавшись новыми исходными данными. При этом вариации можно подвергнуть длительность импульса, ширину ДНА, а, следовательно, ЭПР облучаемой цели, количество накапливаемых импульсов и другие параметры станции, определяющие потенциал.

10. Потенциал радиолокационной станции

Важной комплексной характеристикой является энергетический потенциал, который определяется мощностью ГСВЧ, чувствительностью ПРМ и качеством обработки сигнала.

Показатель потенциала рассчитывается в дБ и равен

,

где - коэффициент, учитывающий потери индикатора, можно

найти в [41] ;

- коэффициент, учитывающий зависимость отражающих свойств гидрометеоров от , а также потери из-за осадков, можно найти там же ;

- коэффициент, учитывающий потери на неоптимальность приемника.

В современных РЛС применяется цифровая обработка радиолокационной информации и совмещение радиолокационного изображения с индикаторами других радиолокационных, навигационных устройств и других систем самолета. При этом радиолокационная информация поступает в начале в бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) и после ее преобразования в систему отображения информации. Таким образом, потребителем информации может быть как человек, так и вычислительная машина.

5.2.3 Выбор и расчет тактических и технических характеристик вторичного радиолокатора

Особенностью расчета вторичного радиолокатора является то, что студент в зависимости от задания расчету подвергается только один элемент этой системы, состоящей фактически из двух радиолокационных станций: наземного запросчика и самолетного ответчика. При этом, если по заданию студент рассчитывает параметры запросчика, то исходными данными служат параметры ответчика. И наоборот, если расчету подвергается ответчик, то за исхоные данные следует принять параметры запрсчика. Студент может в качестве исходных параметров выбрать параметры любого радиолокатора, находящегося в настоящее время на эксплуатации.

Методика расчета эксплуатационно-технических характеристик вторичного радиолокатора аналогична изложенной выше, однако, имеет некоторые особенности, заключающиеся в том, что параметры одного из каналов системы вторичной радиолокации определены выбором альтернативной её части.

Расчет тактико-технических характеристик строится также на основе использования основного уравнения радиолокации и равенства дальностей каналов заросчик-отвечик и ответчик-запросчик:

,

где индекс «з-о» обозначает дальность канала запросчик-ответчик, а индекс «о-з» дальность канала ответчик-запросчик.

Равенство этих дальностей целесообразно из энргетических соображений. Очевидно. если дальности этих каналов не одинаковы, то реальная дальность системы будет определяться наименьшей из них.

Расчет тактико-технических характеристик вторичного радиолокатора производится также на основе использования основного уравнения радиолокации вторичного радиолокатора:

- дальность канала запросчик ответчик;

- дальность канала ответчик - запросчик.

Индекс «3» обозначает параметры и характеристики запросчика, индекс «О» - те же параметры ответчика.

Например, если задан расчет ТТХ запросчика следует задаться параметрами самолетного ответчика (любого на усмотрение студента) и производить выбор и расчет параметров запросчика на основе вышеуказанных уравнений.

Несмотря на то, что многие параметры канала вторичного радиолокатора определены ГОСТами и требованиями IGAO, при проектировании необходимо произвести проверочный расчет этих каналов на оптимальную длину волны, разрешающую способность, чувствительность приемник, энергетический потенциал и другие его параметры. Следует отметить, что для данного типа РЛС понятие разрешающей способности лучше заменить на пропускную способность, а в качестве длительности импульса использовать длительность информационного сообщения.

При расчете параметров системы предупреждения столкновений, которая так же является вторичной радиолокационной системой, из всей структуры данного типа устройства следует проводить расчет только самолетного ответчика с адресным запросом.

В заключение отметим, что сложность расчета ТТХ радиолокационных систем и зачастую многократный их пересчет приводит к необходимости использования ЭВМ для этой цели. Программа расчета может быть составлена на любом языке программирования для ЭВМ, имеющейся в распоряжении проектанта. Распечатку программы и результатов расчета следует поместить в данный раздел проекта с комментариями и выводами.

В приложении методических указаний приведены программы расчета ТТХ в формате Mathcad: для первичной РЛС - приложение № 1, для вторичной ( СО ) - приложение № 2.

4.2.4 Методические указания к составлению структурной схемы радиолокатора

Расчет тактико-технических характеристик и методы, определяющи возможность выделения радиолокационной информации, позволяют представить структурную схему радиолокационной системы. В курсовом проекте должно быть изложено обоснование выбора этой схемы, причем разрабатываемый в дальнейшем блок или узел станции следует раскрыть более подробно, оценить его входные и выходные параметры. Обоснование использования отдельных блоков схемы должно быть конкретным в соответствии с расчетом ЭТХ и задачами, выполняемыми станцией. Так, например, при требуемой импульсной мощности РЛС более десятков киловатт в генераторе СВЧ должны использоваться мощные электронные приборы (магнетрон, платинотрон, пролетный клистрон, ЛПД и т.п.), что и следует отразить на структурной схеме. Или необходимость использования системы АПЧ должна быть доказана прикидочным расчетом нестабильности частоты ГСВЧ, гетеродина и величины доплеровских частот принимаемых сигналов. Таким же образом следует обосновать использование наиболее важных элементов структурной схемы. Структурная схема должна быть представлена в пояснительной записке курсовой работы и вычерчена в соответствии с требованиями ЕСКД. Пример такой схемы для РЛС «Гроза» приведен ниже на рис. 5.3.

Крен

ДУП ЭДВА РВТ Пр

Тангаж

А ЭДНА

АБ ФФВ ВТ УСА БСУ

Цир МГ

Р ВАРУ Атт М

См1 Гет См2 АПЧ

ПУПЧ УПЧ ПП

УР ЭЛТ ВУ Сх

И

Рис. 5.3 Структурная схема РЛС “ Гроза “

На схеме рис. 5.3 введены следующие обозначения:

АБ - антенный блок ; ДУП- датчик угловых положений ; ЭДВА -электродвигатель вращения антенны ; РВТ - решающий вращающий трансформатор ; Пр - преобразователь ; А - антенна ; ЭДНА - электродвигатель настройки ; БСУ - блок стабилизации и управления ; ФФВ - ферритовый фазовращатель ; ВТ - вращающий трансформатор ; УСА - устройство стабилизации ; Цир - циркулятор ; МГ - магнетрон ; Р - разрядник ; УР - устройство развертки ; ВУ - видеоусилитель ; Сх - синхронизатор ;

И - индикатор.

Далее следует описать принцип функционирования устройства, взаимосвязь элементов структурной схемы, прохождение и преобразования сигналов с построением эпюр сигналов в наиболее важных точках. Особое внимание следует уделить описанию работы узла РЛС, разработка которого задана заданием.

5.2.5 Методические указания к разработке радиолокационного узла

После выбора структурной схемы радиолокатора, изучения и осмысления принципа его действия, определения его характеристик необходимо произвести построение функциональной схемы детально разрабатываемого узла или блока. Пример построения структурной схемы входной цепи приемного устройства РЛС имеет вид, показанный на рис. 5.4

К антенне

к УПЧ

АП РЗП ОГР МШУ См 1

АТТ Г

от передатчика

к УПЧ АПЧ

См 2

Рис. 5.4 Структурная схема ВЧ головки приемника РЛС.

На этой схеме: АП - антенный переключатель; РЗП - разрядник защиты приемника; ОГР - полупроводниковый ограничительный диод; МШУ - малошумящий усилитель СВЧ; См смеситель; Г - гетеродин; АТТ - аттенюатор.

Описание работы схемы следует начать от входа устройства и последовательно к концу. Например так: входная цепь приемного устройства строится по двухканальной схеме (с отдельным каналом АПЧ) и однократным преобразованием частоты. На вход приемного устройства от антенны поступает отраженный сигнал и проходит через антенный переключатель, служащий для развязки приемного и передающего тракта. С выхода антенного переключателя сигнал поступает на разрядник защиты приемника и ограничитель, выполняющие функции защиты усилителя СВЧ от остаточного проникающего сигнала передатчика в тракт приемника. Отраженный сигнал усиливается малошумящим усилителем и поступает на вход смесителя сигнала, на второй вход которого подается сигнал гетеродина. Выходной сигнал смесителя промежуточной частоты поступает в канал УПЧ для его фильтрации и усиления.