Факультет Военного Обучения МГТУ им. Н. Э. Баумана Кафедра № 1 «ВВС» Тема № 1. Теоретические основы радиолокации. Основные понятия Занятие № 6. Основные устройства и характеристики РЛС Учебные вопросы: 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) 2. Принципы построения и работа радиоприемных устройств (РПр. У) 3. Принципы построения и работа антенных устройств 4. Аппаратура вторичной обработки радиолокационной информации 5. Основные технические характеристики РЛС 6. Вывод уравнения дальности радиолокационного наблюдения
2 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) Задача радиопередающего устройства РЛС – преобразовывать подводимую к нему электрическую энергию токов низкой частоты в энергию кратковременных импульсов сверхвысокой частоты. Процессы, протекающие в радиопередающем устройстве: - генерация колебаний высокой частоты, т. е. их создание; - управление одним из параметров колебаний высокой частоты (амплитудой, частотой или фазой) в соответствии с передаваемой информацией; - усиление колебаний высокой частоты до необходимой мощности. Модуляция - управление одним из параметров колебаний высокой частоты по закону передаваемых информационных сигналов. Виды модуляции: - амплитудная (АМ); - частотная (ЧМ); - фазовая (ФМ).
3 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 1. Однокаскадные передающие устройства и их применение Типовая схема РПУ импульсной РЛС U(t)м ГВЧ – генератор высокой частоты АПЧ – автоматическая подстройка частоты U(t)гвч t t Принцип работы однокаскадного РПУ импульсной РЛС U(t)вых t
4 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 2. Принципы построения многокаскадных передающих устройств Возможности многокаскадных передающих устройств: - Управление частотой и фазой колебаний; - Повышение стабильности частоты; -Усложнение законов модуляции сигналов; - Достижение значительной выходной мощности; - Распределение между каскадами функций стабилизации частоты, внутриимпульсной модуляции и усиления мощности.
5 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 2. Принципы построения многокаскадных передающих устройств Схема многокаскадного РПУ импульсной РЛС
6 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 2. Принципы построения многокаскадных передающих устройств Многокаскадный РПУ с ФКМ
7 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 2. Принципы построения многокаскадных передающих устройств Многокаскадный РПУ с ЛЧМ
8 Вопрос № 1. Принципы построения и работа радиопередающих устройств (РПУ) § 2. Принципы построения многокаскадных передающих устройств Характеристики многокаскадных РПУ: - Выходная мощность Рвых; - Подводимая мощность (от источников питания) Р 0 ; -Выходная мощность передатчика (от возбудителя) Рвх; - Коэффициент полезного действия η. η =Рвых/Р 0
9 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств Радиоприемное устройство (РПр. У) предназначено для приема каких либо сообщений или сигналов, поступающим к нему в виде радиоволн. Одной из основных функций радиоприемного устройства является оптимальное (в смысле выбранного критерия) выделение полезных сигналов, наблюдаемых на фоне внутренних шумов и внешних помех. Классификация приемных систем: - по типу радиотехнического средства и назначению каналов приема (например, приемный канал обнаружения обзорной РЛС; приемный канал РЛС сопровождения); - по типу принимаемых полезных сигналов и имеющихся сведений об их структуре (например, приемное устройство сложных (простых) сигналов с известной (неизвестной) структурой); - по способу обработки сигналов приемники делятся на: фильтровые, корреляционно-фильтровые, детекторные, прямого усиления; - по способу реализации основных операций над сигналами различают аналоговые, цифровые и аналого-цифровые приемные устройства.
10 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 1. Приемные устройства с фильтровой обработкой сигналов Прямого усиления РПр. У Супергетеродинные
11 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 1. Приемные устройства с фильтровой обработкой сигналов Uзс t Uос Принцип работы приёмника супергетеродинного типа при обработке импульсного сигнала увч t Uгет t Uсм U дет t t U ву t
12 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 1. Приемные устройства с фильтровой обработкой сигналов Серьезный недостаток приемников супергетеродинного типа – возникновение зеркального канала. U(f) fпр fп fг fс Помеха по зеркальному каналу частично гасится УВЧ. f
13 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов Эффективное направление повышения помехоустойчивости РЛС - оптимизация выделения отраженных от цели сигналов из помех в приемных устройствах РЛС. Оптимальный приемник - приемник, в котором сигнал и помеха преобразуются таким образом, что отношение сигналпомеха на его выходе достигает максимально возможного для заданных условий приема значений. - сигнал на выходе приемника, оптимального для случая обнаружения сигнала на фоне белого шума. y(t) – принятый сигнал; x(t) – ожидаемый сигнал; τ - временной сдвиг между ними; Т – время наблюдения (период сигнала).
14 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов Корреляционный приемник – приемник, обеспечивающий получение корреляционного интеграла с помощью перемножителя, интегратора и порогового устройства. Структура корреляционного приемника
15 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов y(t)=x(ttз)+n(t) t T x(t-τ) t y(t)× x(tτ)= x²(t-τ)+n(t) t Yвых(t) yo - порог T t Работа корреляционного приемника (сигнал о цели присутствует)
16 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов y(t)= n(t) T t x(t-τ) t y(t)× x(tτ) t Yвых(t) yo порог T t Работа корреляционного приемника (сигнал о цели отсутствует)
17 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов Приемник с оптимальным фильтром – приемник, обеспечивающий получения корреляционного интеграла с помощью оптимального фильтра, детектора и порогового устройства Приёмник с оптимальным фильтром
18 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов Сравнительная характеристика приемников Корреляционные приемники Фильтровые приемники Преимущества Возможность быстрого перехода к различным формам сигналов Инвариантность к времени задержки Недостатки Необходимость знания дальности до цели 1. Одноканальность по дальности 2. Отсутствие гибкости в изменении формы сигнала
19 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 2. Приемные устройства с корреляционной обработкой сигналов k(f) x(f) «Согласованный» с сигналом фильтр n(f) f(t, a, f 1) n(f) Подавление интенсивных спектральных составляющих помехи k(f) x(f) f(t, a, f 1)
20 Вопрос № 2. Принципы построения и работы радиоприемных устройств § 3. Параметры приемных устройств Основной параметр приемника – чувствительность - минимальное значение (Рпр мин) средней мощности сигнала на входе приемника, при котором обеспечивается отношение мощности сигнал к мощности шума, равное единице. Рпр мин=k. ШT 0Δf. П где k=1. 38× 10 -23 – постоянная Больцмана, Дж/град; Кш – коэффицент шума приемника; Δf. П – полоса пропускания приемного устройства, Гц; T 0 – температура. Пороговая чувствительность - чувствительность, при которой обеспечивается прием и обнаружение отраженных сигналов с заданной вероятностью. Рпор=Рпр минq где q – параметр обнаружения – безразмерного отношение энергии Е полезного сигнала к спектральной плотности No помех; q=2 E/No.
21 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 1. Общие положения Антенные устройства – устройства, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных колебаний. Основные характеристики антенных устройств: - полоса пропускания; - поляризация; - коэффициент стоячей волны (КСВ); - диаграмма направленности (ДН); - коэффициент направленного действия (КНД); - коэффициент усиления антенны (КУ); - фазовая диаграмма (ФД); - коэффициент полезного действия (КПД). направленное
22 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 1. Общие положения Диаграмма направленности - графическое изображение функции направленности. Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенной в различных направлениях. Главный лепесток ДН – направление максимального излучения. Задний лепесток ДН - лепесток излучения в сторону, обратную главному направлению. а) Диаграмма направленности (а) в полярной системе координат (б) в прямоугольной системе координат Ө=0 б) 1 F(Ө) 1 0. 707 0, 707 Ө 0, 5 Ө=-900 Ө 0 0. 5 Ө=-900 - 180 -90 0 Ө 0, 5 Ө 0 90 180
23 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 1. Общие положения Ширина диаграммы направленности - угол, в пределах которого мощность излучения относительно максимального значения уменьшается в два раза, или напряженность электрического поля уменьшается в 1/ 2 раз П=0, 5 Пмакс П=0, 5 П Диаграмма направленности антенны
24 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 1. Общие положения Типы ДН - косеканская - лопатчатая - многолепестковая - плоская или веерообразная - игольчатая или сигарообразная Н εмакс εв ε мин Косеканская ДН Лопатчатая ДН
25 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 1. Общие положения Типы ДН - косеканская - лопатчатая - многолепестковая - плоская или веерообразная - игольчатая или сигарообразная а) б) Н в) Д Игольчатая ДН Веерообразная ДН Н Д Многолепестковая ДН
26 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 2. Классификация антенн Типы используемых антенн: - вибраторные антенны; - директорные антенны; - зеркальные антенны; - параболические; - фазированные антенные решетки (ФАР).
27 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 2. Классификация антенн Вибраторные антенны Основной элемент вибраторных антенн - симметричный полуволновый вибратор. Симметричный вибратор - отрезок прямолинейного провода (трубки), в середине которого включен источник ЭДС высокой частоты. Z FE(Ө) z Ө Iz 0 эдс -z I-z Fн(ө) φ
28 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 2. Классификация антенн Директорные антенны Директорная антенна - устройство в виде металлической стрелы, на которой крепятся активный и несколько пассивных вибраторов. рефлектор вибратор активный вибратор Д 1 Д 2 (директор) ДN Директорная антенна, диаграмма направленности
29 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 2. Классификация антенн Зеркальные антенны Рефлекторы Облучатель Однозеркальные антенны (а), многозеркальные антенны (б)
30 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 2. Классификация антенн Параболические антенны - зеркальные антенны, в которых для фокусировки электромагнитной энергии в нужном направлении в качестве отражателя используют металлическую или металлизированную поверхность параболической формы, например параболоид вращения или параболический цилиндр. A У p М C F K x p/2 x 2 Луч 1 B D OO p/2 Луч 1 A F A+B = C+D
31 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 3. Принцип электронного управления лучом антенн Одно из главных достоинств антенн с электронным управлением лучом – для движения главного лепестка диаграммы направленности антенны в пространстве требуется затрачивать гораздо меньше энергии, чем это необходимо для механически подвижных антенн. Р СУУ Структурная схема антенны с электронным движением луча ИЗЛ Р – распределеитель. ; СУУ – совокупность управляющих устройств; ИЗЛ – излучатель; ИСУ – интеллектуальная система управления. Структурная схема с интеллектуальной системой управления Р ИСУ СУУ ИЗЛ
32 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 4. Фазированная антенная решетка (ФАР) Фазированная антенная решётка в волновой теории — группа антенных излучателей, в которых относительная фазировка сигналов этих излучателей изменяется комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях. Возможности, реализуемые при использовании ФАР: - формирование (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН – луч); - изменять направление луча неподвижной ФАР и таким образом осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча; - управлять в определённых пределах формой ДН – изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т. п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).
33 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 4. Фазированная антенная решетка (ФАР) Классификация ФАР По геометрическим характеристикам линейные кольцевые По характеру распределения излучателей в раскрыве дуговые плоские эквидистантные выпуклые пространственные неэквидистантные
34 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 4. Фазированная антенная решетка (ФАР) Типы ФАР в зависимости от способа изменения фазовых сдвигов: - антенные решетки, у которых фазовое распределение регулируется с помощью фазовращателей, включенных в линии питания излучателей, называемые решетками с фазовым сканированием или фазированными антенными решетками (ФАР); - антенные решетки, у которых фаза поля (тока) каждого излучателя может принимать лишь несколько дискретных значений, называемые решетками с коммутационным сканированием; - антенные решетки, у которых фазовое распределение регулируется путем изменения рабочей частоты, называемые решетками с частотным сканированием.
35 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 4. Фазированная антенная решетка (ФАР) Питание ФАР: фидерное. φ φ Последовательное питание а) 1 2 φ N 3 φ φ (N-1)φ б) φ Параллельное питание φ φ φ φ
36 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 4. Фазированная антенная решетка (ФАР) Питание ФАР: пространственное. Отражательная решетка φ1 φ2 φ3 φ4 φ5 f φ6 φ7 φ1 Проходная решетка φ2 φ3 φ4 f φ5 φ6 φ7
37 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 5. Основные соотношения в антеннах Зеркальные антенны Θβ =К λ ∕ Lβ Ширина диаграммы направленности Θ в плоскостях Θε =К λ ∕ Lε азимута Θβ и угла места Θε, рад. где К – коэффициент пропорциональности (К=0, 88), а Lβ, Lε - размеры антенны в плоскостях азимута и угла места. Коэффициент усиления антенны G 0 = 4πSэф ∕ λ² где Sэф, Sгеом - эффективная и геометрическая площади антенны соответственно; Kn - коэффициент использования площади антенны (для различных типов антенн Kn=0, 5 -0, 7). Sэф = Kn. Sгеом Связь коэффициента усиления с диаграммой направленности G 0 = 4π ∕ Θβ Θε ≈ Kn 40000 ∕ Θβº Θεº ≈ 25000 ∕ Θβº Θεº где Θβ Θε – ширина диаграммы направленности, рад; Θβº Θεº - ширина диаграммы направленности, град; Kn – принят равным 0, 6
38 Вопрос № 3. Принципы построения и работы антенных устройств § 5. Основные соотношения в антеннах ФАР При заданной ширине сектора сканирования в плоскостях азимута βск и угла места устанавливаются: расстояние εск между элементами решетки обычно выбирается равным половине длины волны: d = λ ∕ 2. Общее число активных (пассивных) элементов в плоской N = βск εск ∕ Θβ Θε эквидистантной ФАР: Коэффициент усиления ФАР Ширина диаграммы направленности в соответствующей плоскости где α – угол между нормалью к плоскости решетки и положением ДН в данный момент. G 0 ≈ πN Θ = Кλ ∕ Lcosα
39 Вопрос № 4. Аппаратура вторичной обработки радиолокационной информации § 1. Индикаторные устройства Типы индикаторов: - индикаторы кругового обзора; - секторные индикаторы азимутдальность; - индикаторы дальность-скорость; - индикаторы измерения высоты; - индикаторы измерения h-Д; ε-Д; - индикаторы полуавтоматического съема; - индикаторы с линейной и круговой разверткой; - знаковые индикаторы. Применение индикаторов РЛС ПВО: - наблюдение за воздушной обстановкой и поиска заданных целей; непосредственного определения координат цели по экрану индикатора или с помощью отсчетных устройств; - определение принадлежности и характера целей; преобразования радиолокационной информации в электрические сигналы, пропорциональные текущим значениям координат и параметров движения целей и ввода их в соответствующие счетнорешающие устройства; - контроль работы системы автоматического сопровождения; контроля нормального функционирования основных систем станции перед началом работ.
40 Вопрос № 4. Аппаратура вторичной обработки радиолокационной информации § 2. Автоматические выходные устройства РЛС Типы устройств: - Автоматическое сопровождение по дальности (АСД); - Автоматическое сопровождение по скорости (АСС); - Автоматическое сопровождение по направлению (АСН). Упрощенная функциональная схема АСД
41 Вопрос № 4. Аппаратура вторичной обработки радиолокационной информации § 2. Автоматические выходные устройства РЛС АП Приемн. S Сист. АСД r I S II АРУ Фазосдв цепь 90 0 Приемн. D РПУ ФД D Д Моноимпульсная система слежения по направлению УСО
42 Вопрос № 4. Аппаратура вторичной обработки радиолокационной информации § 2. Автоматические выходные устройства РЛС Uфд Uс Фазовый Uфд детектор Фильтр нижних частот -π/2 Uсг Следящий гетеродин Uупр Управл. элемент Функциональная схема системы АСС с ФАПЧ 0 π/2 φ
43 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Параметры РЛС: - назначение РЛС; - число и тип управляемых координат; - зона обнаружения РЛС; - максимальная дальность действия Дмакс ; - максимальная дальность автоматического сопровождения Дмакс. а. с. ; - минимальная дальность действия Дмин. ; - точность определения дальности sr ; - разрешающая способность по дальности DДмин. ; - точность определения угловых координат (азимута sβ, угла места se); - разрешающая способность по угловым координатам (по азимуту Dbмин. ; углу места Deмин. ); - максимальные скорости автосопровождения цели: по дальности d. R/dt макс. а. с. и углам db/dt макс. а. с. , de/dt макс. а. с. ; - период обзора пространства Тобз. ; - помехоустойчивость; - надежность и др.
44 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Технические характеристики РЛС: - несущая частота колебаний f. НЕС или рабочая длинна волны l; - метод обзора пространства; - длительность импульса t. И; - способы измерения дальности и угловых координат; - частота повторения импульсов FП; - габариты и вес устройства; - мощность излучения (максимальная Рмакс. и средняя Рср. ); климатические использования РЛС; - чувствительность Рпр. мин. и полоса пропускания 2 Df приемного устройства; - тип индикатора и масштаб развертки; - ширина диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициент направленного действия антенны; условия - мощность, потребляемая источника питания. от
45 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Максимальная дальность действия Дв = 4, 12(√hа+√H) где Дв – дальностью прямой радиолокационной видимости в км; hа – высота антенны РЛС в м; H – высота цели в м. Максимальная дальность автоматического сопровождения Минимальная дальность действия где t. И – длительность импульса РЛС; t. П – время погасания разрядников антенного переключателя. Дмакс ас<Дмакс Д мин~C(t. И+t. П )/2
46 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Зона обнаружения РЛС – область пространства, на границе которой цели с определенной ЭОП, обнаруживаются с заданной вероятность и измеряются координаты цели с требуемой точностью. Н Нмакс εмакс Нп Д(ε 2) Д(ε 1) ε 2 Дмин ε 1 εмин Нмин Д 0 Зона обнаружения РЛС
47 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Период обзора пространства – Тобз (скорость обзора). Точность измерения координат оценивается ошибками измерения. Точность определения дальности зависит главным s=(0, 8. . . 5) с t. И / √(2 pgp) образом от точности измерения времени запаздывания отраженного сигнала tзап. . где с – скорость света; t. И -длительность импульса; gp – коэффициент различимости. Разрешающая способность по дальности δД – способность РЛС обеспечить раздельное наблюдение и измерение δД=Сτи/2+ δДи координат двух и более целей, находящиеся друг от друга на минимальной дальности где с – скорость распространения электромагнитной энергии; τи – длительность импульса; δДи – разрешающая способность индикаторного устройства.
48 Вопрос № 5. Тактико-технические данные РЛС § 1. Основные параметры и технические характеристики типовой РЛС Помехоустойчивостью (или помехозащищенностью) называется способность радиолокационной станции выполнять свои функции при воздействии внешних помех. Меры по повышению помехоустойчивости: - работа станции в широком диапазоне частот и быстрая перестройка частоты; - многоканальное построение станции; - высокий энергетический потенциал станции; - снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны; - смена частоты повторения импульсов; - управление поляризацией излучаемого сигнала; - расширение динамического диапазона приемно-индикаторного тракта; - специальные виды модуляции излучаемых колебаний; - специальные методы обработки принятых сигналов; - применение различных устройств и схем защиты в тракте приема и обработки сигнала.
49 Вопрос № 6. Вывод уравнения дальности радиолокационного наблюдения П 1= РП GПРД/4πR 2 R Ц Sэф где РП – мощность излучаемых колебаний; GПРД – коэффицент направленного действия передающей антенны. Sэф П 1= РП GПРД Sэф/4πR 2 П 2= РП GПРД Sэф/(4π)2 R 4 РПР=П 2 Sа пр= РП GПРД Sэф Sа пр/(4π)2 R 4 РПР= РП GПРД GПР 2 Sэф /(4 )3 R 4 Sа пр= ( 2/4 )GПР
50 Вопрос № 6. Вывод уравнения дальности радиолокационного наблюдения Выводы: - дальность радиолокационного наблюдения довольно слабо увеличивается с ростом мощности излучения. Так, для увеличения дальности действия станции в 2 раза излучаемую мощность следует повысить в 16 раз; - дальность радиолокационного наблюдения также сравнительно слабо зависит от чувствительности приемника. Повышение чувствительности приемника (уменьшение Рпр мин) эквивалентно по своему действию соответствующему росту мощности передатчика РЛС; - дальность действия РЛС существенно зависит от направленности антенны, так, например, для увеличения дальности радиолокационного наблюдения в 2 раза при прочих равных условиях коэффицент направленного действия G необходимо увеличить только в 4 раза; - сравнительно слабо влияет на дальность радиолокационного наблюдения изменения величины Sэф. Вследствие этого разница в дальности обнаружения целей, значительно отличающихся по своим размерам, может быть сравнительно невелика.
51 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.
Скачать презентацию Факультет Военного Обучения МГТУ им Н Э Баумана
Тема 1 Занятие 6.ppt