E-mail: yuyug@npi.tpu.ru

Одним из перспективных путей современного этапа развития радарных технологий является повышение информационных возможностей радиотехнических систем, которые их реализуют и проникновение в те сферы, где возможности радаров в настоящее время уникальны.

Новые информационные возможности даёт радарам применение наносекундных радиосигналов. Также как использование широкополосных (ШП) и сверхширокополосных (СШП) сигналов[1] применение таких сигналов позволяет:

•Повысить точность измерения расстояния до цели и разрешающую способность по дальности, в результате чего повышается разрешение по углу места и азимуту.

•Распознать класс и тип целей, поскольку принятый сигнал несёт информацию не только о цели в целом, но и об её элементах.

•Повысить эффективность и упростить аппаратуру защиты от всех видов пассивных помех – дождя, тумана, аэрозолей. Поскольку эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) помех в малом импульсном объёме становится соизмеримой с ЭПР цели.

•Устранить интерференционные провалы в диаграмме направленности антенны при наблюдении за целью, которая находится под низким углом места, поскольку сигнал, отражённый от цели, и сигнал, отражённый от земли, разделяются во времени, что позволяет провести их селекцию.

•Устранить лепестковую структуру вторичных диаграмм направленности облучаемых целей, так как колебания, отражённые от её отдельных частей, не интерферируют, тем самым повышается вероятность правильного обнаружения цели.

•Повысить устойчивость радара к воздействию внешних узкополосных электромагнитных излучений и помех.

Вдокладе приведены результаты модернизации приёмопередающего модуля Х- диапазона частот навигационной РЛС кругового обзора «Печора» с целью повышения разрешающей способности. Сокращения длительности зондирующего импульса до 10 нс с

применением методов временной компрессии импульса передатчика обеспечило разрешение до 1.5 м. Описана структурная схема и приведены результаты измерения основных характеристик макета.

Работа направлена на создание наносекундного радара среднего радиуса действия, когда расстояние до объектов локации составляет единицы – десятки километров. Для решения поставленной задачи используется метод временной компрессии зондирующего импульса передатчика СВЧ с помощью резонансных систем [2]. Реализацию метода обеспечивают устройства компрессоров, которые размещаются между СВЧ передатчиком и антенной [3]. Источники зондирующих радиоимпульсов наносекундной длительности, созданные по данной технологии, обладают следующими особенностями:

•создаются с использованием стандартной элементной базы, которая выпускается отечественной промышленностью, поэтому наиболее подготовлены в направлении практического использования;

•позволяют без больших затрат обеспечить перевод промышленных серийных генераторов СВЧ в режим излучения наносекундной длительности с соответствующим увеличением пиковой мощности;

•позволяют сформировать СВЧ излучение наносекундной длительности в любой части диапазона радиоволн;

•хорошо сопрягаются с типовыми антенными системами.

Макет приёмопередающего модуля, структурная схема которого приведена на рисунке 1, содержит наносекундный СВЧ передатчик, широкополосный приёмник и антенную систему.

Передатчик выполнен на основе магнетронного генератора входящего в состав РЛС «Печора». Наносекундный режим излучения обеспечивает устройство компрессора. Резонансная система компрессора имеет собственную добротность 35000 и обеспечивает сжатие импульса на выходе магнетронного генератора длительностью 700 нс до длительности 10 нс. При этом пиковая мощность

импульса, генерируемого магнетроном, увеличивается в 30 раз. Согласование магнетрона при работе на резонансную нагрузку обеспечивается волноводным циркулятором. Переключение компрессора из режима накопления в режим вывода накопленной энергии осуществляется газоразрядным коммутатором. Коммутатор управляется высоковольтным импульсом формируемым схемой запуска разрядника.

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме. На входе приёмника размещён ограничитель, предназначенный для подавления прямого сигнала передатчика. Сигнал, прошедший ограничитель поступает на вход конвертера, который усиливает его на 20 дБ и преобразовывает в промежуточную частоту 1200 МГц. Сигнал промежуточной частоты (ПЧ) поступает на предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) с регулируемым коэффициентом передачи в диапазоне 2-25 дБ. С выхода ПУПЧ усиленный сигнал поступает на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ), где формируется полоса пропускания микрополосковым фильтром с полосой 100 МГц, а затем усиливается регулируемым каскадом усиления на 20-25 дБ. С выхода УПЧ сигнал подаётся на вход логарифмического видеоусилителя, где он детектируется амплитудным детектором и усиливается на 50 дБ. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) позволяет регулировать усиление конвертора и УПЧ до достижения максимальной чувствительности или динамического диапазона. С выхода ЛВУ видеосигнал поступает на осциллограф.

Схема синхронизации формирует управляющие импульсы запуска модулятора, схемы запуска разрядника и осциллографа.

Приёмная и передающая антенны смонтированы на приводе вращения, который обеспечивает режим кругового обзора.

Рис. 1. Структурная схема радиолокатора. 1 – приемная антенна, 2 – входной ограничитель, 3 – конвертор, 4 – фильтр ПЧ, 5 – АРУ, 6 – УПЧ, 7 – ЛВУ, 8– осциллограф, 9 - генератор синхроимпульсов, 10 – модулятор, 11 – магнетрон, 12 – ферритовый циркулятор, 13 –

блок запуска разрядника, 14 – компрессор, 15

– передающая антенна, 16 – привод вращения антенны.

Измерения параметров приёмопередающего модуля проводились в ограниченном помещении лаборатории, что не позволило в полной мере определить его характеристики. Основные параметры приёмопередающего модуля до и после модернизации приведены в таблице.

Измерение разрешающей способности проводилось с использованием в качестве передающей и приёмной антенны штатные рупорные антенны из состава измерителя плотности потока мощности ПО-01. Две эталонные радиолокационные цели размещалась вблизи друг друга и объектов, находящихся внутри помещения (шкафов, столов, технологического оборудования). Разрешение эталонных целей на дистанции от антенной системы в диапазоне от 1.5 м до 15 м составляло 1.5 м. Это соответствует теоретически достижимой величине разрешающей способности при заданной длительности зондирующего импульса 10 нс. Разрешающая способность РЛС «Печора» составляет 110 м.

Таким образом, результаты работы демонстрируют возможности применение методов резонансной импульсной компрессии для модернизации приёмопередатчиков типовых импульсных РЛС с целью повышения их информационных характеристик за счёт сокращения длительности зондирующего радиоимпульса. Применение данного направления в радиолокации позволит наиболее просто реализовать известные преимущества в использовании сверхширокополосных сигналов перед традиционными узкополосными при создании РЛС среднего и дальнего радиуса действия.

261

Рисунок 2. Схема волновой передачи:

1– жесткое колесо,

2– гибкое колесо,

3– генератор волн деформации,

4– гибкий подшипник.

Волновые зубчатые передачи с гибкими колесами, обладая высокой плавностью хода и большим передаточным отношением (до 350 для одной ступени), имеют невысокий КПД, обусловленный потерями энергии на деформацию гибкого колеса и на трение между зубьями. Знакопеременные деформации гибкого колеса создают неблагоприятные условия его работы.

У некоторых передач кинематическая точность составляет 0,5–1,0 угловой минуты. КПД зацепления, изменяющийся в зависимости от передаточного числа в пределах от 0,7 до 0,9. Волновые передачи сохраняют работоспособность в широком диапазоне нагрузок. Величина крутящего момента, передаваемого гибким колесом, в зависимости от размера наружного диаметра гибкого подшипника изменяется от 15 до 26 000 Н·м.

Естественно, что волновым передачам свойственны и недостатки, к которым следует отнести ограниченную быстроходность гибкого подшипника (2000...6000 мин-1), большой продольный размер гибкого колеса, ограниченный уровень предельной мощности, развиваемой передачей (~60 кВт), большое значение минимально возможного передаточного числа (imin=80), сравнительную сложность изготовления гибкого колеса и генератора волн [3].

Недостатки волновых передач с гибким колесом, прежде всего ненадёжность гибкого колеса, определили направление замены его на составное колесо, с функцией гибкого. Зубчатый венец заменяется на жесткие звенья, исполняющие роль зубьев и размещенные в пазах жесткой обоймы. В качестве жестких звеньев использовались плунжеры, толкатели и тела качения.

Замена гибкого колеса на цепочку тел качения, размещенных в пазах обоймы, по которой бежит волна их перемещений, устраняют указанные недостатки классических волновых передач, сохраняя и усиливая их

достоинства: высокие передаточные отношения, многопарность зацепления и повышенную нагрузочную способность при малых габаритах и массе.

Первоначально такие передаточные механизмы строились по схемам традиционных зубчатых, червячных или винтовых передач, в которых - для уменьшения трения один или оба находящихся в зацеплении зубчатых профиля образованы телами качения (шариками или роликами) [4].

Основным отличием от обычного зацепления является то, что в постоянном контакте с соответствующими поверхностями зацепляющихся звеньев находятся до 50% от всех промежуточных тел качения, что позволяет реализовать многопарное зацепление. Все звенья передачи представляют собой жесткие тела, выполненные с высокой точностью.

Такие механизмы наиболее продуктивно рассматривать как волновые передачи с промежуточными телами качения, в которых роль гибкого колеса играет цепочка тел качения (промежуточных звеньев), и каждое из тел качения совершает волнообразное перемещение относительно жесткого колеса. Схема волновой передачи с промежуточными телами представлена на рисунке 3.

Оценивая достоинства и недостатки волновых передач, следует заключить, что область их применения велика: от приборных устройств мощностью десятки ватт и меньше до силовых приводов с большим передаточным отношением и мощностью до сотен кВт.

Представляется, что к этой категории, в том числе, относятся бортовые приводы летательных аппаратов, так как сочетание волновых передач с быстроходными электрическими двигателями обеспечивает получение компактных и легких агрегатов.

Такие качества волновых передач, как компактность, небольшое число применяемых деталей, долговечность, возможность совместной работы с быстроходными и, следовательно, малогабаритными электрическими двигателями определяют их привлекательность для применения в различных технических отраслях. Об этом свидетельствуют исследования и разработки волновых приводов, как в нашей стране, так и за ее предела-

ми [5].

263

Реальная оптическая система в приближении геометрической оптики отличается от идеальной наличием аберраций – дефектов изображения проявляющихся в том, что точки пространства предметов изображаются в виде пятен, а также в нарушении геометрического подобия между изображением и предметом. Некоторые виды аберраций очень трудно исправить. Исправление сферической аберрации обычно производится путем сочетания нескольких линз, но какая-то доля аберрации сохраняется всегда. При значительном увеличении габаритов оптических деталей, необходимо использовать многолинзовую систему, что влечет ряд сложностей, единственный эффективный способ существенно компенсировать сферическую аберрацию состоит в том, чтобы использовать асферическую линзу – линзу, имеющую свободно изогнутую поверхность, которая не является сферической. Если источник расположен в бесконечности, то целесообразно использовать асферические линзы второго порядка, если же источник на конечном рас-

264

стоянии, то необходимо применять поверхности высшего порядка. Одна из областей применения данных линз – объективы для фотоаппаратов, помимо этого их используют для решения различных научных и научноприкладных задач. Например, в области экологии, можно определять концентрацию тех или иных газовых компонентов в воздухе. Кроме того, возможно исследовать свойства атмосферы с помощью лидаров с асферическими зеркалами. Данную линзу предполагается использовать в программно-аппаратном комплексе для регистрации отдельных газовых компонентов.

В чём заключается основная задача, решаемая в ходе работы? Лучи, выходящие из одной точки, после преломления одной линзой должны так же проходить через одну точку, то есть необходимо рассчитать оптическую систему, которая сферическую волну, распространяющуюся от точечного источника света, преобразует снова в сферическую волну, сходящуюся в точку.

В ходе работы сначала был разработан алгоритм с использованием принципа наименьшего действия Ферма для расчета профиля второй поверхности линзы в табличном виде, далее после операции аппроксимации таблично заданной функции полиномом степени n уравнение второй поверхности записывается в аналитической форме. В конечном итоге, рассчитывается ход луча через систему поверхностей с одной поверхностью высшего порядка.

Дана линза с заданными параметрами, оптимизируя ее на минимум сферической аберрации, находим радиусы кривизны ее поверхностей. При этих значениях радиусов кривизны радиус кружка рассеяния в плоскости наилучшей установки равен 6,9499 мм. Задаем начальные данные луча, идущего от заданной на оси точки.

Система координат совмещена с вершиной поверхностиv ;

A1 (x1 , y1 ,0)

дающего;

Sr1 (ξ1 ,η1 ,ς1 ) - направляющий вектор па-

дающего луча;

F(U1* , z1 )= 0 - уравнение поверхности с осевой симметрией.

Используя закон преломления, рассчитываем ход луча через первую поверхность. Принимая фронт волны на выходе сферическим, записываем принцип Ферма для двух соответствующих точек на фронте падающей и прошедшей волны, считая, что оптическая длина луча между двумя фронтами есть величина постоянная и равная оптической длине осевого луча между вершинами поверхностей (фронт падающей волны и фронт преломленной волны совпадает с вершинами поверхностей линзы). Исходя из рисунка 1, можно записать следующую систему уравнений:

В результате преобразований этой системы получим уравнение относительно одной неизвестной z2.

Решая последнее уравнение методом итераций, находим координату z2 поверхности, что позволяет далее определить коорди-

нату x2*.

Недостаток табличного задания функции заключается в том, что найдутся значения переменных, которые не определены таблицей. Для расчета хода лучей через линзу с асферической поверхностью необходимо записать уравнение второй поверхности в аналитической форме, используя метод аппроксимации таблично заданной функции полиномом степени n. Получаем

n

xn2 = ∑Ci zni i=1

По полученным данным было разработано программное обеспечение, позволяющее, зная конструктивные параметры исходной линзы, получить ее асферический профиль. В результате, получили радиус кружка рассеяния в плоскости наилучшей установки 0,002мм. Данное программное обеспечение, подходит для практического использования в оптическом приборостроении.

Далее исследуем вопрос о количестве точек, необходимых для аппроксимации поверхности. Сравниваем значения радиусов кружков рассеяния для 10, 9, 8 и 7 точек, получаем минимальный кружок рассеяния 3,614·10-5мм для 9 точек. Таким образом, делаем вывод, что при расчете подобных задач необходимо проводить данный анализ.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Герцбергер М. Современная геометрическая оптика. М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - 487 с.: ил.

2.Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем. «Машиностроение», 1969. – 672 с.: ил.

3.Окатов М.А. Справочник технологаоптика. СПб.: Политехника, 2004. – 679 с.: ил.