Авторы Доцент отдела 2 ВВС подполковник Фролов

Авторы: Доцент отдела № 2 ВВС подполковник Фролов А. Е Преподаватель кафедры № 1 Кашпуровский С. Б. МОСКВА. 2012

Факультет Военного Обучения МГТУ им. Н. Э. Баумана Кафедра № 1 «ВВС» Тема № 1. Теоретические основы радиолокации. Основные понятия Занятие № 3. Радиолокационные сигналы и их характеристики Учебные вопросы: 1. Типы, свойства и параметры сигналов 2. Спектральный анализ сигналов 3. Трансформация сигналов при отражении от различных предметов

2 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 1. Общие соображения по выбору радиолокационного сигнала В зависимости от назначения РЛС зондирующий сигнал должен позволять реализовывать: - энергию излучения, достаточную для обнаружения целей и оценки их параметров; - требуемое разрешение целей; - достаточное подавление помех (нежелательных отраженных сигналов). Информация, получаемая о цели с помощью сигналов: - дальность; - спектр отраженного целью сигнала; - радиальная скорость; - амплитуда отраженного целью сигнала; - радиальное ускорение; - поляризационные свойства отраженного сигнала. - эффективная площадь рассеивания (ЭПР);

3 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 1. Общие соображения по выбору радиолокационного сигнала Требования, предъявляемые к сигналам: - Энергия сигнала; - Разрешающая способность; - Подавление отражений от местных предметов; - Неопределенности различного типа; - Точность; - Практическая реализуемость.

4 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Импульс – кратковременное изменение напряжения или тока (либо напряженности электрического или магнитного полей), длительность которого мала или соизмерима со временем переходного процесса в той системе, на которую воздействует этот импульс. ИМПУЛЬСЫ Радиоимпульсы (импульс, полярность которого многократно меняется за время длительности (обычно, по синусоидальному закону). Видеоимпульсы (импульс напряжения или тока, который за время своего существования сохраняет свою полярность, либо его полярность меняется ограниченное число раз). Радиомпульс

5 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Форма импульса – зависимость напряжения или тока импульса (или его огибающей, если речь идет о радиоимпульсе) от времени.

6 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Параметры, определяющие форму импульса: Øмаксимальное значение импульса (амплитуда) UM; Øскважность последовательности импульсов q= ТП/τи; Øдлительность импульса τи; Øпериод следования импульсов ТП; Øдлительность переднего фронта импульса τф; Øплощадь импульса Sи. Øдлительность спада (заднего) фронта импульса τс; Øдлительность плоской части (вершины) импульса τв;

7 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Энергетические параметры сигнала: Мгновенная активная мощность P(t) – это усредненное за период T 0 несущей частоты текущее значение мощности (Вт) излучаемых колебаний P(t)=U(t)i(t), где U(t) и i(t) – мгновенные значения напряжений и тока, усредненные за период высокой частоты T 0: Пиковая мощность – наибольшее значение мгновенной мощности Импульсная мощность – мощность, усредненная за время длительности импульса τи Энергия импульса ЕИ в Дж Средняя мощность – мощность, усредненная за период следования импульсов TП (q=ТП/τи – скважность импульсов)

8 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Квазинепрерывные сигналы S(t) t f(t) fкон Δf fнач τи t ЛЧМ-сигнал Девиация частоты – величина изменения частоты за время длительности импульса Δf=fкон-fнач называется

9 Вопрос № 1. Типы, свойства и параметры радиолокационных сигналов § 2. Временные характеристики радиолокационных сигналов Сингалы с внутриимпульсной фазовой манипуляцией U(t) t + - + ФКМ-сигнал (1011) +

10 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектр (лат. spectrum от лат. specter - виде ние, призрак) в физике - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты). а - короткий импульс б - непрерывный сигнал в - одиночный импульс г - пачка из N импульсов Рис. 1. Вид некоторых сигналов и соответствующих им амплитудно-частотных спектров.

11 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектр сигнала – совокупность бесконечного числа синусоидальных колебаний, имеющих определенные частоты, амплитуды и фазы и заменяющих собой последовательности импульсов. (а) (б) Рис. 2. Амплитудный (а) и фазовый (б) спектры прямоугольного импульса.

12 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Ряд Фурье: (1) (2) Частоты гармоник кратны основной частоте: - круговая частота - циклическая частота

13 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Коэффициенты (амплитуды гармоник) ряда (2) могут быть вычислены: (3)

14 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Амплитуды Ak и фаза φk гармоники ряда (1) с коэффициентами ak и bk ряда (2) связаны соотношениями: Формулы Эйлера:

15 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Комплексная форма ряда Фурье: - круговая частота Сk - комплексные гармоники – спектр периодически повторяющегося сигнала

16 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Преобразование Фурье для одиночного сигнала: - интервал между соседними гармониками ω - непрерывная частота - спектральная плотность

17 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Пример преобразования в ряд Фурье периодической последовательности прямоугольных импульсов: для

18 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Коэффициенты тригонометрического ряда Фурье определятся следующим образом:

19 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов - запись в комплексной форме Значения для амплитуд и фаз составляющих спектра для q=2 ( «меандр» ):

20 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Амплитудный и фазовый спектры прямоугольного импульса:

21 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Аппроксимация прямоугольных импульсов суммой гармоник

22 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Представление прямоугольного импульса суммой гармонических составляющих

23 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектральные диаграммы периодической последовательности импульсов: а) – при скважности q = 2; б) – при скважности q = 8: (а) (б)

24 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектр радиоимпульса (выводы) qширина спектра это интервал частот, в котором концентрируется до 90% энергии излучаемого сигнала; qширина спектра определяется длительностью одиночного радиоимпульса; qрасстояние между отдельными гармониками равны частоте повторения импульсов fповт; qогибающая спектра по обе стороны от несущей имеет туже форму, что и огибающая видеоимпульса. Поэтому изменение формы импульсов влечет соответствующие изменение формы огибающей спектра радиоимпульса.

25 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Амплитудная спектральная функция S(ω) – огибающая величин An, т. е. кривая, соединяющая концы отрезков An. Также используется понятие относительной спектральной функции G(ω)=S(ω)/S(0). g(ω) 2 1 3 0 t Относительная спектральная функция для прямоуголного (1), треугольного (2) и колообразного импульсов.

26 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Зависимость спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов от их длительности и периода следования : 1 , T 1 2= 1/2, T 2=T 1 3= 1/2, T 3=T 1/2 4= 1/2, T 4=2 T 1

27 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Относительные спектральные функции: а – одиночного импульса, б – δ-функции а) б) g(ω) 1 0, 5 0 ω ω

28 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Сигналы и соответствующие им амплитудные спектральные диаграммы: гармоническое колебание АМ колебание последовательность прямоугольных импульсов последовательность прямоугольных радиоимпульсов

29 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Обобщения для последовательности перидических импульсов любой формы : üспектр периодической последовательности импульсов состоит из синусоидальных колебаний, частоты которых кратны частоте повторения импульсов; üформа спектральной функции зависит от формы импульса; üчем меньше длительность импульса, тем шире его спектр, тем медленнее спадает спектральная функция с увеличением частоты; üчем больше период повторения импульсов (т. е. чем реже следуют импульсы), тем богаче спектр гармониками, то есть на определенном участке располагается больше спектральных линий; при бесконечно большом периоде линейчатый спектр переходит в сплошной.

30 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Виды зондирующих сигналов : простые сигналы (Пи τи ≈ 1): - излучение близких к непрерывным немодулированных сигналов; -периодическая или непериодическая амплитудная импульсная модуляция зондирующего сигнала; сложные (широкополосные) сигналы (Пи τи >> 1): - импульсная модуляция с частотной модуляцией в пределах импульсов; - импульсная модуляция с фазовой манипуляцией в пределах импульсов; - частотная модуляция или фазовая манипуляция близких к непрерывным сигналов; - многочастотное излучение импульсных сигналов и, в частности, излучение импульсов на различающихся частотах; -комбинация перечисленных видов модуляции. многочастотные сигналы: сигналы, спектры которых состоят из участков, имеющих существенный разнос по частоте.

31 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектр радиоимпульса U(t)ви U(t)гнч ви – видеоимпульс; гнч – генератор несущей частоты; ри – радиоимпульс. t t U(t)ри t

32 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов Спектр радиоимпульса (продолжение) а) Тп U(t) Um t τи б) А(f) fn-3/τи fn-2/τи fn-1/τи fn fn+1/ τи fn+2/τи fn+3/τи f Последовательность радиоимпульсов (а) и ее амплитудный спектр (б)

33 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов ЛЧМ - импульс S(t) S(f) a) б) t f(t) fкон Ψ(f) fнач fкон f Δf в) г) fнач τи Δfс≈Δf t f ЛЧМ-импульс (а), частота меняется по линейному закону (б), девиация частоты (в), фазы гармоник ЛЧМ-сигнала (г).

34 Вопрос № 2. Спектральный анализ сигналов немодулированный длительностью n τ0 фазо-манипулированный парциальный длительностью τ0 Амплитудно-частотные спектры радиоимпульсов

35 Вопрос № 3. Трансформация сигналов при отражении от различных предметов Зондирующее излучение – еще не сигнал! ЭМ-волны становятся носителем информации ТОЛЬКО после соприкосновения с целью! Сигнал, соприкоснувшийся с целью, по структуре аналогичен зондирующему излучению, но смещён по времени на величину, пропорциональную дальности до цели, а по частоте на величину, пропорциональную радиальной скорости цели. Задача приемных радиолокационных устройств – выделить данный сигнал на фоне различных излучений и произвести его обработку, с целью выделения полезной информации о цели.

36 Использованная литература: 1 Теоретические основы радиолокации. Справочник под редакцией Ширмана Я. Д. 1968 год. 2 Радиоэлектронные системы, Основы построения и теории. Справочник под редакцией Ширмана Я. Д. 2007 год.