ТЕМА № 1. Теоретические основы построения систем вооружения

ТЕМА № 1. Теоретические основы построения систем вооружения зенитных ракетных войск ЗАНЯТИЕ № 2. Зондирующие сигналы и методы радиолокационного обзора, используемые в системах вооружения ЗРВ Вопросы занятия 1. Основные характеристики зондирующих сигналов. 2. Методы обзора пространства по дальности и радиальной скорости. 3. Методы обзора пространства по угловым координатам. III. ЛИТЕРАТУРА Основная: 1. Теоретические основы радиолокации. /Под. ред. Я. Д. Ширмана. Изд. Войск ПВО, 1968. 2. М. А. Островский, В. А. Борисенок, Н. Л. Абрамов и др. Основы получения и обработки радиолокационной информации. Ч. 1. - Н. Новгород: НВЗРКУ ПВО, 1996. Дополнительные источники: 1. http: //avs. cde. spbstu. ru

Краткие выводы из материала предыдущего занятия Среди всего многообразия радиолокационных целей выделены классы, для борьбы с которыми создавалась ЗРС. При рассмотрении характеристик целей выделены основные характеристики, оказывающие непосредственное влияние на выбор принципов работы элементов ЗРС и способ их технической реализации. 1) Информация о радиолокационной заметности цели (ЭПР, ДОВИ) позволяет сформулировать требования к мощности передатчика, чувствительности приемника и коэффициенту усиления антенной системы РЛС, необходимым для обнаружения цели на заданной дальности. 2) Оценка маневренности (уровень располагаемых перегрузок - n) цели позволяет сформулировать требования к следящим системам РЛС, а также требования к ЗУР и системе ее наведения. 3) Знание возможностей целей по постановке помех РЛС позволяет задавать технические характеристики систем помехозащиты. 4) Возможность цели применить противорадиолокационные ракеты (ПРР) вызывает необходимость задания режимов работы ЗРС при которых пуск ПРР фиксируется операторами, а пущенная ракета может быть обнаружена и уничтожена. 5) Диапазон высот полета цели позволяет сформулировать требования к угловым размерам сектора пространства в котором ведется обнаружение целей и требования к ЗУР по максимальным и минимальным высотам поражаемых объектов.

ВВЕДЕНИЕ Радиолокация – способ получения информации об окружающем мире. Для зенитной ракетной системы (ЗРС) «информация об окружающем мире» это точная радиолокационная информация (РЛИ) о количестве и координатах всех воздушных объектов в области пространства вокруг ЗРС (воздушная обстановка). Инструментом исследования пространства служат электромагнитные волны (ЭМВ). ЭМВ, излучаемые локатором для обнаружения целей и определения их координат, принято называть зондирующими сигналами (ЗС). Характеристики и параметры ЗС определяют какие координаты и с какой точностью можно измерять этим ЗС. Определив размер области пространства вокруг ЗРС, количество измеряемых координат и точность их измерения можно решать задачу поиска целей и измерения их координат в пределах заданной области пространства – этот процесс называют обзором пространства.

1. Основные характеристики зондирующих сигналов. Классификация ЗС, используемых в изучаемой ЗРС ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ Импульсные Одиночные Непрерывные Последовательности имп. НМ Простые РИ КППРИ ЛЧМ РИ Имп. запроса ЛЧМ

ПАРАМЕТРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОПИСАНИЯ СИГНАЛОВ К временным параметрам ЗС относятся: и – длительность импульса; Тп – период повторения; Тс = МТп – длительность сигнала (для пачек импульсов). Частотными параметрами ЗС является: f 0 – несущая частота; f – ширина спектра сигнала; Fп = 1/Тп – частота повторения импульсов в пачке для импульсных последовательностей. Основные энергетические параметры ЗС: Ри – импульсная мощность; Рср = Ри/Qc – средняя мощность (Qc =Тп/ и- скважность сигнала); Эс – энергия сигнала: для одиночного импульса Эс = Эи = Ри и; для пачки импульсов Эс = М Эи (М – количество импульсов в пачке); непрерывный сигнал имеет один энергетический параметр - Рср.

Математический аппарат для описания радиосигналов Вещественная форма записи радиосигнала во временной области Sз(t) = Um. U(t)cos[2 f 0 t + (t)], (1) где: Um – амплитуда излучаемых колебаний; f 0 – несущая частота СВЧ колебаний; U(t) – закон амплитудной модуляции (огибающая сигнала); (t) – закон фазовой модуляции ЗС. Комплексная форма записи радиосигнала (2) где - комплексный закон модуляции ЗС (комплексная огибающая сигнала).

Частотный спектр - другая форма описания сигнала, характеризует распределение энергии составляющих сигнала не по временной, а по частотной оси. Основной характеристикой спектра является его ширина f. (3) (4) связь временной формы записи сигнала S(t) и его спектра S(f) комплексный спектр сигнала где - амплитудно-частотный спектр (АЧС) сигнала, распределение амплитуд составляющих на частотной оси; - фазо-частотный спектр (ФЧС) сигнала, распределение начальных фаз составляющих спектра.

ЗС, не только излучается в направлении цели, еще он используется в качестве эталона, с которым сравнивается принятый сигнал: Если в результате сравнения делается вывод, что принятый сигнал похож на ЗС, значит он отразился от цели и следовательно цель в исследуемом элементе пространства есть. Если принятый сигнал не похож на ЗС, значит и цель в исследуемом элементе пространства отсутствует. Для количественной оценки «похожести» сигналов используется автокорреляционная функция закона модуляции зондирующего сигнала, построив автокорреляционную функцию графически получим тело неопределенности сигнала.

Двумерная нормированная автокорреляционная функция (АКФ) закона модуляции характеризует степень связи (корреляцию) ЗС с его копией смещенной по времени и частоте F (отклик оптимального приемника). (5) где U*(t) – комплексно сопряженная функция к U(t). Сечения двумерной нормированной АКФ (6) при F=0 - АКФ (7) при =0 - нормированный АЧС квадрата модуля огибающей сигнала

Тело неопределенности простого прямоугольного радиоимпульса Ширина основного лепестка тела неопределенности по частоте F показывает предельные возможности сигнала по точности измерения доплеровской добавки частоты (Fд ) – радиальной скорости (Vr). F Ширина основного лепестка тела неопределенности по времени показывает предельные возможности сигнала по точности измерения времени запаздывания (tзап) – дальности до цели Д. Для простых радиосигналов справедливо соотношение f × c = 1 (произведение длительности сигнала на ширину его спектра равно 1) очевидно, что сузить тело неопределенности таких сигналов по обеим координатам сразу невозможно, поэтому простые радиосигналы способны обеспечить точное измерение либо Д либо Vr.

Точность измерения координат и разрешающая способность ЗС Мерой потенциальной точности ЗС принято считать разрешающую способность - это минимально возможное смещение цели относительно другой цели, при котором возможно раздельное их наблюдение. По дальности (времени запаздывания) определяется временем, в пределах которого существенна связь между сигналом и его сдвинутой по времени копией (т. е. временем корреляции сигнала к, это время принято определять как ширину основного пика ( ) по уровню 0, 5) к = 1/ f - время корреляции обратно пропорционально ширине спектра сигнала; r = c/(2 f) – разрешающая способность. РЛС по дальности; к rц2 – rц1 к ≥ c/(2 f) - условие разрешения целей по дальности; Вывод: точность измерения дальности определяется шириной спектра сигнала, чем шире спектр, тем точнее измерение дальности. Для простых сигналов f × c = 1, поэтому чем короче сигнал (импульс) тем точнее меряется дальность. Для сложных сигналов f × c >> 1, поэтому для определения точности измерения дальности нужно анализировать ширину спектра сигнала.

Точность измерения координат и разрешающая способность ЗС По радиальной скорости (частоте Доплера Fд) определяется частотным сдвигом, в пределах которого существенна связь между сигналом и его сдвинутой по частоте копией (т. е. шириной основного пика (F) по уровню 0, 5) F = 1/Tc - разрешающая способность по частоте Доплера обратно пропорциональна длительности когерентного сигнала; Vr = l F/2 - разрешающая способность по радиальной скорости; к Vr 2 – Vr 1 к ≥ l F/2 - условие разрешения целей по радиальной скорости; Вывод: точность измерения скорости тоже определяется шириной спектра сигнала, чем уже спектр, тем точнее измерение скорости. Для простых сигналов f × c = 1, поэтому чем длиннее сигнал (импульс) тем точнее меряется скорость. Для сложных сигналов f × c >> 1, поэтому для определения точности измерения скорости нужно анализировать спектр сигнала и искать в нем узкополосные составляющие.

НЕПРЕРЫВНЫЙ ЗОНДИРУЮЩИЙ СИГНАЛ Непрерывный немодулированный (НМ) сигнал – простой сигнал S(t) = Umcos[2 f 0 t + 0], где: Um – амплитуда излучаемых колебаний; f 0 – несущая частота СВЧ колебаний; 0 – начальная фаза ЗС. F - Точность измерения Vr и разрешающая способность РЛС с непрерывным ЗС по частоте (по скорости) – ограничивается только временем облучения цели tобл ( F = 1/tобл), время запаздывания (дальность) – не измеряется. Для измерения дальности необходимо ввести модуляцию сигнала т. е изменять какой либо его параметр по заданному закону. (8) непрерывный НМ сигнал единичной амплитуды (9) где нормированная двумерная АКФ непрерывного сигнала Эс - энергия сигнала; - дельта - функция Дирака.

Линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал Не изменяя амплитудных и фазовых соотношений в непрерывный сигнал вводится модуляция по частоте на участке сигнала длительностью и, при этом частота сигнала изменяется по линейному закону от номинального (начального) fн до конечного fк значения. ЛЧМ сложный сигнал fд × и >> 1. закон изменения частоты ЛЧМ сигнала где fд = fк – fн - девиация частоты. f = fд f Спектр ЛЧМ сигнала комплексная огибающая ЛЧМ сигнала где Нормированная двумерная АКФ ЛЧМ сигнала b = n/ n= - параметр фазовой модуляции; - база сигнала.

F Тело неопределенности ЛЧМ сигнала

Частотный принцип измерения дальности Дальномерный отскок частоты fдальн = tзап× fд/ и , учитывая, что Д = (tзап×с)/2, несложно получить: Д = ( fдальн× и×с) / (2 fд)

ИМПУЛЬСНЫЕ ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ Простой прямоугольный радиоимпульс (РИ) (10) огибающая прямоугольного РИ где 1(t) – единичная функция. прямоугольный радиоимпульс единичной амплитуды без внутриимпульсной модуляции ( «простой» радиоимпульс); при (11) нормированная двумерная АКФ закона модуляции одиночного РИ

F Тело неопределенности прямоугольного РИ

Разрешающая способность РЛС, использующих простой прямоугольный РИ r = c и/2 - разрешающая способность РЛС по дальности; - условие разрешения целей по дальности; - разрешающая способность РЛС по частоте Доплера; - условие разрешения целей по частоте Доплера; - разрешающая способность РЛС по радиальной скорости;

Разрешающая способность РЛС, использующих ЛЧМ РИ r. ЛЧМ = r. РИ/n= c и/n - разрешающая способность по дальности; - условие разрешения целей по дальности; - разрешающая способность РЛС по частоте Доплера; - условие разрешения целей по частоте Доплера; - разрешающая способность РЛС по радиальной скорости для ЛЧМ РИ;

ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ Когерентная пачка прямоугольных радиоимпульсов (КППРИ) это сложный сигнал f ×Тc >> 1. «Пачка» импульсов – импульсная последовательность в пределах которой сохраняется неизменными длительность импульса и период повторения импульсов. Когерентность сигналов означает, что начальные фазы всех импульсов либо равны между собой, либо подчинены неслучайному закону. Строгий математический анализ КППРИ весьма сложен, поэтому воспользуемся упрощениями, т. е. раздельно проанализируем ее временные и частотные свойства.

( ) Тп 2 и 2 МТп Автокорреляционная функция ( ) закона модуляции КППРИ F 2/Tс 2/ и Амплитудно-частотный спектр квадрата огибающей КППРИ

F = 0, 4 -1 Проекции постоянных уровней нормированной двумерной АКФ закона модуляции КППРИ

Разрешающая способность РЛС, использующих КППРИ r. КППРИ = r. РИ= c и/2 - разрешающая способность по дальности; - условие разрешения целей по дальности; t з ист = t з изм ± m. Тп - неоднозначность в определении дальности; - разрешающая способность по частоте Доплера; - условие разрешения целей по частоте Доплера; - разрешающая способность по радиальной скорости для КППРИ; - неоднозначность в определении частоты;

2. МЕТОДЫ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА ПО ДАЛЬНОСТИ И РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ Понятие радиолокационного обзора Радиолокационное наблюдение осуществляется в определенной области пространства, которую называют зоной видимости (ЗВ) или зоной обзора (ЗО) РЛС. Ее размеры определяются: количеством измеряемых координат и интервалами, в пределах которых возможно измерение. В простейшем случае при измерении двух координат – азимута и дальности Д можно наглядно отобразить зону видимости РЛС в полярных координатах.

Для однозначного определения местоположения цели в пространстве необходимо знать не две, а три ее координаты. Поэтому для большинства современных РЛС зона видимости – трехмерная. Разбиение трехмерной зоны видимости на элементарные объемы

Для наведения ЗУР мало знать точные пространственные координаты цели, необходимо знать и то, с какой скоростью она движется. Поэтому в станциях наведения ракет кроме трех координат, задающих пространственное положение цели, может измеряться и четвертая координата – радиальная скорость. Размеры такой ЗО определяются либо в абсолютных величинах rобз = rmax – rmin по дальности, обз = max – min по азимуту, обз = max – min по углу места, Vобз = 2(Vmax – Vmin) по радиальной скорости. Или в относительных единицах количеством разрешаемых элементов в зоне обзора РЛС по каждой из координат. Размер элемента разрешения по каждой координате определяется точностью измерения этой координаты.

Задача обнаружения целей (получение ответа на вопрос – есть цель или ее нет) решается для каждого элемента разрешения ЗО. Время, требуемое для обнаружения цели в одном элементе обозначим как время анализа tан. За время tан в РЛС с выполняются следующие операции: • наведение антенной системы на требуемый элемент разрешения; • излучение ЗС; • прием отраженного сигнала; • обработка принятого сигнала по заданному алгоритму. Время, требуемое для просмотра всей ЗО обозначается как tобз. Ключевым моментом в данной ситуации является определение потребного времени обзора. Как правило, это время определяется потребителем радиолокационной информации (РЛИ). Если потребителем РЛИ выступает ЗРС, то tобз – это период обновления информации о воздушной обстановке в зоне ответственности ЗРС. Учитывая, что целями для ЗРС являются высокоскоростные и маневренные СВКН, tобз должно быть минимальным.

Если просматривать все элементы ЗО один за другим суммарное время, требуемое на полный просмотр всей зоны (обзор пространства) определяется: tобз=tан N, где N=Nr Nβ N … – количество элементов разрешения в ЗО. Такой способ обзора принято называть последовательным. Для своей реализации он требует один канал, включающий передатчик, антенную систему и приемник. Если все элементы разрешения ЗО просмотреть одновременно, tобз должно стремиться к tан. Такой способ обзора принято называть параллельным обзором пространства, и для его реализации требуется создание отдельного канала (передатчик, антенная система и приемник) для каждого элемента ЗО. На практике используют различные комбинации параллельного и последовательного обзора, которые позволяют получить требуемую величину времени tобз при минимальных аппаратных затратах.

2. 1. Методы обзора пространства по дальности Обзор по Д в импульсной РЛС - параллельный Ц 2 Ц 1 ЗС t tз 1 tз 2 rц1 Временное положение отраженных от целей сигналов для одиночного радиоимпульса время запаздывания принимаемого сигнала Определение дальности цели по индикатору кругового обзора импульсной РЛС

Обзор по Д в РЛС с КППРИ Временное положение зондирующих, отраженных от цели и ожидаемых сигналов для РЛС с ЗС вида КППРИ tз = tз отн + k Тп - неоднозначность в определении дальности;

Обзор – параллельный. Число каналов передатчика и антенной системы – 1. Число приемных каналов Nr. Факт обнаружения произойдет в тех каналах, где совпадут принятый и ожидаемый сигналы. Неоднозначность по Д позволяет перекрыть приемными каналами не весь интервал tзад. мах, а только Тп. где Кп – коэффициент перекрытия; Временное положение зондирующих, принятых, бланкирующих и ожидаемых сигналов для РЛС с ЗС вида КППРИ при параллельном обзоре по дальности

2. 2. Методы обзора пространства по радиальной скорости Для обзора по частоте (скорости) формируются узкополосные фильтры (УПФ), каждый из них пропускает только те сигналы, которые попадают в его полосу пропускания, остальные сигналы на выход фильтра не пройдут. Факт обнаружения состоится когда спектр принятого сигнала совпадет с полосой пропускания УПФ. При последовательном обзоре 1 УПФ перестраиваем по всему диапазону частот, при параллельном строим множество фильтров, перекрывая весь диапазон. Принцип организации последовательного (вверху) и параллельного (внизу) обзора по частоте

ЗС принятый сигнал 1/ c fc = 1/ и Fд отн f f 0+Fдц f 0+Fп+Fдц Спектры зондирующей и принятой КППРИ Fдц = Fд отн + h Fп - неоднозначность в определении частоты;

3. МЕТОДЫ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА ПО УГЛОВЫМ КООРДИНАТАМ Для определения угловых координат целей необходимо измерять направление прихода отраженного от цели сигнала. Направление прихода сигнала может быть зафиксировано только при использовании антенн, обладающих свойством принимать сигналы не со всех направлений, а лишь в некотором узком диапазоне углов. Количественно направленные свойства антенны описывает ее диаграмма направленности (ДН). Если ДН является узкой ( 1°) по обеим угловым координатам, ее называют игольчатой. Если ДН является узкой ( 1°) только по одной координате, например по азимуту , а по другой координате является широкой ( 5 -20°) ее называют веерной. Обзор пространства по угловым координатам как правило ведется путем перемещения (сканирования) ДН , осуществляя либо последовательный обзор по обеим координатам, либо последовательный обзор по одной координате и параллельный по другой.

Организация последовательного обзора по азимуту и параллельного по углу места Для реализации такого варианта обзора используется антенна с веерной ДН. Вся антенная система механически вращается по азимуту вкруговую. Скорость вращения а подбирается из условия обеспечения полного оборота за время не превышающее требуемого времени обзора. Время, отводимое на обзор по дальности или скорости t. ДV в каждом угловом направлении ограничено временем прохождения луча через это направление: t. ДV = 0, 5 / а а 0, 5 Круговой обзор по угловым координатам с использованием непрерывного кругового сканирования веерной ДН

S(t) непрерывный сигнал t S(t) импульсный сигнал t с = tобл Модуляция принятого сигнала формой ДН при непрерывном круговом сканировании

Организация последовательного обзора по азимуту и углу места Для реализации такого варианта обзора используется антенна с игольчатой ДН и электронным сканированием луча. Вся антенная система может механически вращается по азимуту вкруговую. Скорость вращения подбирается из условия обеспечения полного оборота за время не превышающее требуемого времени обзора. Время, отводимое на обзор по дальности или скорости t. ДV в каждом угловом направлении ограничено временем нахождения луча в этом направлении, заданным при электронном сканировании. к - н ск Обзор по угловым координатам с использованием дискретного сканирования игольчатой ДН