Лекция 6.

Обнаружение сигналов с неизвестными параметрами. Последовательный и параллельный обзор зоны обнаружения.

План лекции:

-Блок-схема устройства обнаружения;

-Формулы для числа элементов обзора по дальности, углу, диапазону скоростей;

-комбинированный обзор;

-критерий максимума энергетического потенциала радиолокатора.

Обнаружение сигналов при параллельном и последовательном радиолокационном обзоре.

При обнаружении сигнала его частота, время и направление прихода неизвестны. Для построения оптимальных устройств обработки необходимо выполнить обзор диапазона неизвестности указанных параметров сигнала. При этом вместе с обнаружением приближенно оцениваются параметры сигнала, соответствующие дальности, скорости и угловым координатам цели.

Рассмотрим две разновидности радиолокационного обзора: параллельный и последовательный. При параллельном обзоре сигналы во всех элементах обзора (элементах разрешения) обнаруживаются одновременно с помощью многоканального устройства. Число каналов равно числу элементов обзора m. Последовательный обзор предусматривает поочередное обнаружение сигнала в элементах обзора с помощью одноканального устройства.

Число элементов обзора по дальности целей (по времени прихода отраженных сигналов) оценивается формулой

разрешение по дальности. Число элементов углового обзора определяется формулой

В этой формуле ψ1 и ψ2 - заданные секторы обзора в двух ортогональных плоскостях; θ1 и θ2 значения ширины двусторонней диаграммы направленности антенной системы радиолокатора в указанных плоскостях.

Число элементов обзора диапазона скоростей цели (диапазона доплеровских частот отраженных сигналов) приблизительно равно

Если по какому-либо параметру сигнала обзор не производится, то значение соответствующего сомножителя в (2.22) равно единице.

Помимо параллельного и последовательного обзора, используют разновидности комбинированного обзора. Чаще всего это параллельный обзор по одной части параметров сигнала и последовательный - по другой. Иногда при наличии mi элементов обзора по некоторой координате (или скорости) цели используют mi n - канальное устройство обнаружения. При этом mi n элементов осматривают параллельно, а n групп элементов осматривают последовательно.

Рассмотрение обзора можно свести к анализу обнаружения в одном элементе разрешения. Для этого нужно определить связь вероятностей Do и F o , заданных для обзора, с вероятностями D и F , относящимися к обнаружению в одном элементе, а также рассчитать время, приходящееся на осмотр одного элемента. Расчеты показывают, что требуемая вероятность обнаружения в одном элементе обзора D равна заданной вероятности обнаружения в течение обзора Do . Вероятность ложной тревоги при обзоре определяется как вероятность превышения порога помехой, по крайней мере, в одном из элементов обзора. Следовательно,

требования, нежели к F0 .

Заданное время обзора по i-й координате ограничено величиной Tsi . При параллельном обзоре время обнаружения сигнала в одном элементе Te =Tsi

При простом последовательном обзоре Te = Ti . mi

Сравним эффективность обоих видов обзора по критерию максимума энергетического потенциала радиолокатора ER . Выбор этого критерия объясняется тем, что дальность действия радиолокатора в значительной степени определяется величиной ER . В качестве основного варианта примем обнаружение некогерентной пачки импульсов с частотой следования fсл . Число импульсов в пачке при последовательном обзоре равно

при параллельном обзоре

N2 = fслTi = mi N1.

В соответствии с (2.15) число независимых импульсов при последовательном и

Обзор диапазона дальностей целей.

Вданном случае для обоих видов обзора все величины в (1.79), за исключением

ρтр, одинаковы. Максимуму ER соответствует минимальная величина ρ тр. Поэтому в

качестве критерия эффективности обзора принимаем минимум величины ρ тр. Используя формулу Бартона, запишем выражения для требуемых значений последовательном (ρпос) и параллельном (ρпар) обзоре:

Используя соотношение (2.25), получим

ρпар= ρp = ρ1 −10lg N1 −10lg mi + Li (ρ1,N1) + 5lg mi + Ls Ne2 = = ρ1 −10lg N1 − 5lg mi + Li (ρ1,N1) + Ls Ne2

Разность требуемых отношений сигнал/шум

ρпос - ρпар = 5lg mi + Ls (1Ne1 −1Ne2 )

всегда положительна, поскольку

1Ne1 −1Ne2 ≥ 0.

Следовательно, параллельный обзор диапазона дальностей эффективнее. Преимущество параллельного обзора увеличивается с ростом числа элементов mi . Кроме того, возможны ситуации, в которых различие флуктуационных потерь оказывается значительным. Это в еще большей степени подчеркивает достоинства параллельного обзора.

Полученный результат справедлив и для обзора диапазона скоростей цели. Многоканальное построение обнаружителя требует определенных аппаратурных затрат. Обнаружитель относится к устройствам, которые сравнительно легко миниатюризуются. Вместе с тем, получаемый энергетический выигрыш позволяет уменьшить мощность и габариты передающего устройства.

Угловой обзор.

При последовательном угловом обзоре целесообразно иметь одинаковые передающую и приемную антенны или одну общую антенну. Ширина ДН антенны θ определяется заданным угловым разрешением. Коэффициент усиления каждой из антенн обозначим G1.

При параллельном угловом обзоре ширина ДН передающей антенны должна быть равна заданному сектору обзора. Поэтому коэффициент усиления передающей антенны

5

G2 = G1/mi

G и ρтр. При этом отношения G/ρтр для этих способов обзора примерно одинаковы. Следовательно, параллельный и последовательный виды углового обзора приблизительно равноценны в энергетическом отношении. Но если учесть простоту аппаратурной реализации последовательного углового обзора, будут ясны причины его широкого распространения.

Примеры решения задач на определение требуемого отношения сигнал/шум

Рассчитайте длительность импульса передатчика τИ некогерентной импульсной РЛС, работающей в режиме обзора пространства, а также определите вид сигнала (простой или сложный). В случае использования сложного сигнала определите его базу и ширину спектра. Влиянием на параметры РЛС затухания сигнала в атмосфере и

характеристики антенны. Угловое разрешение в i-й плоскости равно ширине двусторонней диаграммы направленности антенны в этой плоскости. Поэтому значения ширины ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно равны θ1 = 2 , θ2 = 5 .

Линейные размеры антенны определим с помощью формулы (6)

Lа1 = 0,7 λ 57,3 = 0,7 5 10−2 м 57,3 =1 м,

θГ 2

6

Эффективный раскрыв антенны

А= Ка Lа1 Lа2 = 0,5 1 0,4 = 0,2 м2.

Коэффициент усиления антенны

б) Число элементов обзора по угловым координатам и дальности, а так же общее число элементов обзора рассчитаем по формулам (1), (2), (5).

используется последовательный угловой обзор и параллельный обзор по дальности. Период следования импульсов

д) Количество независимых импульсов в пачке рассчитываем по формулам (6) и (7) в семинаре 3:

τk = 4LцλΩц = 96 мс.

Поскольку Тτп <1, Ne =1.

k

8

Задание на самостоятельную проработку

Ознакомится с рекомендуемой литературой и конспектом данной и следующей лекции. Составить краткий письменный конспект с выделением наиболее трудновоспринимаемых самим студентом вопросов для разбора в ходе следующего лекционного, а также практического занятия. При этом в ходе подготовки к лекциям в рамках коллектива группы с использованием рекомендуемой литературы необходимо коллективно разобрать имеющиеся непонятные вопросы и составить общий список вопросов от групп для разбора материала с помощью преподавателя на лекции. Подготовленный список вопросов оформить в печатном виде и предоставить преподавателю перед лекцией.

Описание активных и интерактивных методов обучения.

Освоение данного лекционного материала предполагает активное творческое участие студентов в выделении по описанной выше методике вопросов, которые необходимо особенно глубоко разобрать в ходе диалога с преподавателем на лекции.

Литература

1.Незлин Д.В. Радиотехнические системы: Уч. пособие. - М.:МИЭТ, 2007. - 250 с.:

ил. – С.40-50

2.Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Федорова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. — 672 с: ил. – С.130-150

3.“Известия высших учебных заведений. Электроника” http://www.mocnit.miee.ru/redaction/.

4.http://ru.wikipedia.org/

Лекция 7 Физические основы и принципы радиолокации. Блок-схема, назначение и

принцип действия РЛС.

План лекции:

-Пороговый метод;

-Зондирующий сигнал;

-временное запаздывание;

-доплеровский сдвиг частоты;

-обобщенная структурная схема импульсной РЛС;

-тактико-технические характеристики РЛС.

Понятие радиолокации и радиолокационных систем

Радиолокация — отрасль радиотехники, обеспечивающая получение сведений об объектах путем приема и анализа радиоволн. Объекты, сведения о которых необходимо получить, называют радиолокационными целями. Различают следующие цели: аэродинамические (самолеты, крылатые ракеты, вертолеты и др.), наземные и надводные (автомашины, танки, корабли и др.), космические (космические аппараты, баллистические ракеты и др.), подземные и подводные (полости в грунте, различные объекты в земле и воде и др.), природного происхождения (облака, естественные ориентиры на местности, метеоры, планеты) и другие. Совокупность сведений о наличии целей в отдельных областях пространства, об их координатах и других параметрах движения, о числе целей и их характеристиках называют радиолокационной информацией. Технические средства получения радиолокационной информации называют радиолокационными средствами, радиолокационными станциями (РЛС), или радиолокаторами. Для расширения информационных возможностей радиолокационных средств их объединяют в радиолокационные системы (комплексы), включающие средства передачи данных и управления.

Термин «радиолокация» составлен из латинских слов locus — место и radio — излучение, характеризующих важнейшую из решаемых задач и пути ее решения. В

2

зарубежной литературе используется термин «радар» (radar), происходящий из словосочетания radio detection and ranging (от англ. обнаружение и измерение дальности с помощью радиоволн). В современных РЛС используются электромагнитные излучения декаметровых, метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Основными информационными задачами радиолокации являются следующие:

—обнаружение целей;

—измерение координат целей и других параметров их движения;

—разрешение целей;

—классификация целей.

Эти задачи решаются на всех этапах обработки радиолокационной информации: первичной, вторичной и третичной. Задача обнаружения состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в каждом выделенном элементе пространства, входящем в зону ответственности (контроля) РЛС, с минимальными вероятностями ошибок при первичной обработке и во всей зоне ответственности РЛС при вторичной (третичной) обработке.

Основные характеристики радиолокационных систем

Радиолокационные системы и отдельные радиолокационные станции (РЛС) предназначены для обнаружения разнообразных объектов (целей) и определения их текущих координат, а для движущихся объектов - определения радиальных скоростей, траекторий. Для решения этих задач в радиолокации используется излучение в окружающее пространство зондирующего сигнала и прием сигналов, отразившихся от объектов (рис.2.1).

Рис.2.1 Принцип действия РЛС. АП - антенный переключатель.

Излучение передатчика, строго говоря, не является сигналом, так как оно не является носителем информации. Информацию об объекте содержит отраженный

3

сигнал. Однако в соответствии с принятой терминологией электромагнитные колебания, излучаемые передатчиком РЛС, будем называть зондирующим сигналом.

Методы радиолокационного обнаружения объектов и определения их координат базируются на трех физических явлениях:

-почти прямолинейном распространении радиоволн используемого

диапазона (миллиметры ÷ метры) с практически постоянной скоростью c ≈ 3 · 108 м/c ( загоризонтные РЛС здесь не рассматриваются);

-свойстве объектов различной природы частично рассеивать падающие на них электромагнитные волны;

-эффекте Доплера.

Всвязи с этими свойствами радиоволн отраженный сигнал содержит определенную информацию о цели. Факт обнаружения сигнала свидетельствует о наличии некоторого объекта в зоне действия РЛС. Временнóе запаздывание отраженного сигнала относительно зондирующего

позволяет измерить дальность R до объекта. Если цель движется относительно РЛС с радиальной скоростью VR = Vcosα (рис.2.2), то вследствие эффекта Доплера несущая частота отраженного сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала f0 на величину

где λ - длина волны РЛС, fd - доплеровское смещение частоты. Измерив fd, можно определить радиальную скорость цели.

V

РЛС α

VR Цель

Рис. 2.2. Скорость цели.

Вформуле (2.2) величина VR считается положительной, если цель приближается

кРЛС, и - отрицательной в случае удаления цели. В соответствии с этим изменяется и знак fd.

4

Используя остронаправленные антенны для излучения и приема сигналов, можно найти угловые координаты цели по положению в пространстве оси антенной системы, соответствующему максимуму принятого сигнала. В разделе 2.4 рассмотрены применяемые на практике методы измерения угловых координат целей.

Этому соответствует сферическая система координат R, β, ε с добавлением в ряде случаев радиальной скорости цели (рис.2.3).

Рис.2.3. Координаты цели К основным тактико-техническим характеристикам РЛС относятся дальность

действия, точность измерения координат и разрешающая способность, определяемые как в отсутствии внешних помех, так и в заданной помеховой обстановке.

Блок-схема РЛС с импульсным зондирующим сигналом представлена на рис.2.4. Генератор несущей формирует гармоническое напряжение со стабильной частотой f0 (рис.2.5а). Синхронизатор генерирует последовательность импульсов длительностью τи и с периодом Tp (рис.2.5, б). Модулятор в данном случае представляет собой электронный ключ, отпираемый импульсами синхронизатора. На выходе модулятора имеет место последовательность радиоимпульсов (рис.2.5в). При наличии импульса на выходе синхронизатора антенный переключатель (АП) соединяет антенну с усилителем мощности. При этом радиоимпульс зондирующего сигнала излучается в пространство. В интервале между импульсами синхронизатора антенна подключается к входу приемника. На вход приемника поступают импульсы отраженных от целей сигналов. После усиления в малошумящем усилителе (МШУ) отраженный сигнал поступает на смеситель. На выходе последнего формируется напряжение промежуточной частоты

fпр = f0 – fгет.

5

Это напряжение усиливается и фильтруется. Затем оно преобразуется в цифровую форму и поступает в устройство цифровой обработки. На выходе последнего формируется сигнализация обнаружения цели, а также выдаются значения текущих координат цели R, β, ε и ее радиальной скорости.

Синхрони-

затор

R β ε V

Рис. 2.4. Блок - схема импульсной РЛС. АП - антенный переключатель; МШУ - малошумящий усилитель

U1(t)

t

a)

U2(t)

t

Tp τp

U3(t) б)

t

в)

Рис. 2.5. Временные диаграммы.

а) Генератор несущей б) Синхронизатор в) Выход модулятора

6

Тактические характеристики РЛС

К тактическим характеристикам РЛС относятся назначение, сектор или зона работы, время обзора этого сектора, качественные показатели (показатели эффективности) обнаружения объекта, число измеряемых координат и параметров движения объекта и точность этих измерений, вид выходных данных, разрешающая способность, пропускная способность, помехозащищенность, надежность, экономичность и др.

Сектор или зона работы описываются пределами изменения координат, обнаруживаемых или обследуемых объектов, т. е. минимальными и максимальными значениями дальности, азимута и угла места (или высоты).

Время обзора заданного сектора — это характеристика, определяющая темп выдачи данных по результатам работы РЛС и являющаяся исключительно важной, особенно при работе по высокоскоростным объектам (самолет, баллистическая ракета, космический аппарат и др.). Время обзора заданного сектора радиолокационной станцией должно быть в несколько раз меньше времени, которое требуется лоцируемому объекту для пересечения этого сектора в любом направлении.

Качественные показатели (показатели эффективности) обнаружения объекта — это условная вероятность правильного обнаружения D и условная вероятность ложной тревоги Fm.

Число измеряемых координат и параметров движения объекта и точность этих измерений. В радио локационных системах противовоздушной и особенно противоракетной и противокосмической обороны требуется измерение не только трех координат лоцируемых объектов, но и их первых, а иногда и вторых производных. Для наблюдения за наземными и надводными объектами достаточно измерения только двух координат: дальности и азимута. В некоторых случаях ограничиваются измерением и одной координаты. Точность измерения координат объекта и параметров его движения характеризуется корреляционной матрицей ошибок измерения, в частности среднеквадратическими ошибками, и другими параметрами.

Вид выходных данных — это световой, звуковой или иной сигнал об обнаружении объекта, отметка на экране электронно-лучевой трубки, показания стрелочного прибора о координате объекта или параметре его движения, цифровые коды указанных

7

координат и параметров, передаваемые по каналу связи потребителей (ЭВМ командного пункта управления системой ПВО, ПРО, пункта управления воздушным движением и др.).

Разрешающая способность — это способность раздельного обнаружения и измерения координат или параметров движения близко расположенных объектов. Вопросы разрешения сигналов (и объектов).

Пропускная способность — это способность РЛС работать с большим числом объектов. Количественно характеризуется максимальным числом объектов, одновременно обслуживаемых радиолокационной системой. Например, импульсный радиолокатор может одновременно работать приблизительно с тысячью объектов. Его пропускная способность равна отношению разности максимальной и минимальной дальностей к разрешающей способности по дальности. В последнее время пропускную способность РЛС характеризуют числом трасс целей, выдаваемых за один обзор.

Помехозащищенность — это способность РЛС поддерживать на заданном уровне тактические характеристики (и, прежде всего, показатели качества обнаружения и измерения параметров) в условиях действия различного рода помех. Помехозащищенность РЛС определяется ее скрытностью, т. е. способностью затруднять противнику создание организованных радиопомех на входе приемника, и помехоустойчивостью, характеризующей способность нормального функционирования РЛС в условиях наличия на ее входе естественных, взаимных и организованных помех. В свою очередь, помехозащищенность является составной частью живучести, т. е. способности РЛС сохранять свою эффективность в условиях огневого и помехового воздействия.

Помехозащищенность (помехоустойчивость) характеризуют коэффициентом подавления помех, дальностями обнаружения цели в условиях воздействия помех с различной интенсивностью.

Надежность — это свойство РЛС сохранять на установленном уровне тактические характеристики при заданных условиях эксплуатации. Количественно надежность описывается вероятностью безотказной работы в течение установленного интервала времени, средним временем исправной работы, частотой отказов в работе, средним временем восстановления.

8

Экономичность характеризуется стоимостью затрат на разработку, производство и эксплуатацию (включая и ремонт).

Мобильность (маневренность) — это способность РЛС быстро перемещаться, развертываться и вести работу в высоком темпе при различных условиях обстановки. Характеризуется временем развертывания и свертывания РЛС, скоростью перемещения.

Задание на самостоятельную проработку

Ознакомится с рекомендуемой литературой и конспектом данной и следующей лекции. Составить краткий письменный конспект с выделением наиболее трудновоспринимаемых самим студентом вопросов для разбора в ходе следующего лекционного, а также практического занятия. При этом в ходе подготовки к лекциям в рамках коллектива группы с использованием рекомендуемой литературы необходимо коллективно разобрать имеющиеся непонятные вопросы и составить общий список вопросов от групп для разбора материала с помощью преподавателя на лекции. Подготовленный список вопросов оформить в печатном виде и предоставить преподавателю перед лекцией.

Описание активных и интерактивных методов обучения.

Освоение данного лекционного материала предполагает активное творческое участие студентов в выделении по описанной выше методике вопросов, которые необходимо особенно глубоко разобрать в ходе диалога с преподавателем на лекции.

Литература

1.Незлин Д.В. Радиотехнические системы: Уч. пособие. - М.:МИЭТ, 2007. - 250 с.:

ил. – С.33-37

2.Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Федорова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. — 672 с: ил. – С.341-351

3.“Известия высших учебных заведений. Электроника” http://www.mocnit.miee.ru/redaction/.

9

4. http://ru.wikipedia.org/