Добавил:
AverageTusurEnjoyer
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебники / 1664-itog
.pdf
11
УПЧ усилитель промежуточной частоты;
УУН устройство устранения неоднозначности;
Ф фазометр;
ФВ фазовращатель;
ФГ фазируемый гетеродин;
ФД фазовый детектор;
ФИ формирователь импульсов;
ФКМ фазо-кодовая манипуляция;
ФНЧ фильтр низких частот;
ФО формирователь отметки;
ФС формирователь строба;
ФФ фазовый фронт;
ЦАП цифро-аналоговый преобразователь;
ЧМ частотная модуляция;
ЧПК череспериодная компенсация;
ЭПР эффективная поверхность рассеяния;
12
1.ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. Понятие о радиосистеме. Виды радиосистем
Единая система конструкторской документации - свод документов, которыми инженеры руководствуются при проектировании - определяет систему как совокупность изделий, соединенных между собой при эксплуатации механической, электрической, оптической или другой связью, имеющую самостоятельное эксплуатационное значение. Например, телевизор с отдельным антенным устройством представляет собой систему,
позволяющую просматривать телевизионные передачи.
В жизни мы окружены различными системами: электронная вычислительная машина - система, автоматическая телефонная станция - система, существуют системы слепой посадки самолетов, системы управления технологическими производственными процессами, системы противовоздушной обороны и т. д. Одни системы входят в другие как составные части
подсистемы. В упомянутом примере телевизор с антенной являются подсистемой более крупной системы, в которую входит
передающий телевизионный центр, а получившаяся система в
свою очередь является частью еще более крупной, в которую
входит космическая система связи и т.д. Системы оказываются
очень сложными и дорогими. Поэтому очень важно, чтобы они
были оптимальными, то есть обладали наилучшими характеристиками в заданных условиях эксплуатации. Однако обычно
к системам предъявляется целый ряд технических требований,
и некоторые из них являются противоречивыми. Например,
противоречивыми являются требования увеличения дальности
действия и уменьшения веса радиопередающего устройства. Возникает проблема выбора критериев оптимальности системы.
Общих рецептов отыскания критериев оптимальности не существует. Обычно это отношение некоторого обобщенного показателя качества работы системы к стоимости затрат (экономических, энергетических, временных и т.д.).
13
В пятидесятые годы прошлого столетия возникла отрасль
науки, получившая название системотехники, охватывающая
вопросы оптимизации систем [1].
«Системный подход» к проектированию требует четкой
формулировки цели функционирования системы и последовательного разукрупнения этой цели при условии оптимизации
системы на каждом последовательном шаге. При таком подходе
выделяются принципиальные вопросы создания системы, а
детали отходят на второй план.
Радиотехническими называют такие системы, в которых
переносчиком информации являются радиоволны. Радиотехнические системы можно разделить на следующие классы:
- системы передачи информации;
- радиолокационные системы;
- радионавигационные системы;
- радиоастрономические системы.
Класс систем передачи информации очень широк. Сюда
относятся радиовещание и телевидение, многоканальная цифровая и аналоговая радиосвязь, системы передачи команд, системы телеметрии и т.д. В данной книге системы передачи информации не рассматриваются, им посвящено отдельное издание.
Радиолокация - область науки и техники, охватывающая
методы и средства обнаружения, определения координат и параметров движения различных объектов.
Слово радиолокация происходит от двух английских слов:
radio - не требует перевода, и to locate - определять местополо-
жение, локализовать. Соответствующую установку по английски называют Radar - сокращение от Radio Detection and Ranging
(обнаружение и измерение дальности). По-русски говорят «радиолокационная станция» (РЛС) или «радиолокатор». Радиолокация возникла в середине тридцатых годов прошлого столетия как область военной техники. Это было время бурного
развития авиации, и радиолокационные средства разрабатывались для обнаружения вражеских самолетов на дальних под-
14
ступах к объектам нанесения удара. Радиолокация и сейчас играет ключевую роль в вооружении армий развитых государств.
На неё возлагаются функции обнаружения наземных, надводных воздушных и космических целей, определения их координат, параметров движения, а также управление оружием. Но в
современном мире задачи, решаемые с помощью радиолокации,
не сводятся только к военному делу. Упомянем управление воздушным движением, управление дорожным движением, гидрометеорологию, выполнение космических программ и т.д.
Объекты радиолокационного наблюдения принято называть радиолокационными целями или просто целями.
В основе слова радионавигация лежит английское слово
Navy - флот. Ещё 100 лет назад навигацией называли науку о
вождении морских судов. Основными средствами навигации
служили компас и астрономические приборы. Сегодня навигация - наука о способах и средствах вождения надводных, подводных, воздушных и космических судов, наземных транспортных средств. Традиционные средства навигации уступили место радиотехническим, основанным на использовании источников радиоизлучения, расположенных на поверхности земли
или на искусственных спутниках земли. Радионавигационные
средства не зависят от погоды, более точны, удобны и оперативны, чем традиционные.
Радиоастрономия - астрономия в радиодиапазоне [2]. Радиоастрономические системы предназначены для исследования
Вселенной по существующим в ней радиоизлучениям.
Наблюдения на максимально далеких расстояниях существенны для понимания возникновения и характера той Вселенной, в которой мы живем, а эти знания в свою очередь дают
ключ к пониманию её конечной судьбы.
В некоторых источниках выделяют ещё один класс систем - системы радиоуправления. Управлять по радио можно
разнообразными объектами, но под этим термином обычно понимают управление беспилотными летательными аппаратами
[3]. При всей сложности комплексов радиоуправления они со-
15
стоят из систем передачи информации, радиолокационных и
радионавигационных систем. Поэтому в учебном курсе мы не
будем выделять их как отдельный объект для изучения.
Перечисленные радиосистемы имеют много общего как в
алгоритмах обработки сигналов, так и в схемах построения аппаратуры. В настоящем курсе мы будем изучать радиолокационные и радионавигационные системы, имея в виду, что полученные знания могут быть основой для изучения и проектирования радиотехнических систем иных классов.
Особенностью курса является то, что радиотехнические
системы рассматриваются в нем на уровне принципов построения, структурных и функциональных схем. Принципиальные
электрические схемы рассматриваются в тех редких случаях,
когда без этого невозможно пояснить принцип функционирования системы. Предполагается, что студенты освоили предшествующие дисциплины, раскрывающие содержание элементов функциональных схем. Такими дисциплинами являются
«Радиотехнические цепи и сигналы», «Антенны и техника СВЧ»,
«Радиоприемные устройства», «Радиопередающие устройства»,
«Цифровая обработка сигналов».
Принципиальные ограничения в качестве работы радиосистем создают помехи естественного и искусственного происхождения. В связи с этим входные воздействия на радиоприемные устройства систем (совокупность сигналов и помех) считаются случайными процессами. Их представление и преобразования в электрических цепях могут быть описаны только с
помощью математического аппарата статистической радиотехники. Мы предполагаем, что студенты овладели этим аппаратом, изучив дисциплины «Теория вероятностей и математическая статистика», «Статистическая теория радиотехнических систем».
Учебника по радиотехническим системам, соответствующего по содержанию утвержденному образовательному стандарту, на сегодня не существует. В качестве основной литературы мы рекомендуем книги [4-7], содержащие в совокупности
16
ε
µ
ε
2
з
c
c
з
τ
всё, что надо знать по дисциплине и гораздо более того. Дополнительная литература будет указана по ходу изложения материала.
1.2. Физические основы радиотехнических методов
обнаружения объектов, определения их координат и
скорости
Радиотехнические средства позволяют обнаруживать
объекты, измерять расстояние до них (дальность), их угловые
координаты и радиальную скорость.
Обнаружение объектов (целей) - задача радиолокации. В
основе радиолокационного обнаружения лежит способность
радиоволн отражаться от контраста проводимости, либо коэффициента преломления среды. Последний определяется фор-
мулой
n
=
,
где
- диэлектрическая проницаемость среды, µ - магнит-
ная проницаемость среды.
Обнаружение целей производится путем фиксации факта
отражения - приема отраженных сигналов.
Измерение дальности до цели R базируется на постоянстве скорости распространения электромагнитной волны в атмосфере, которая считается известной. В радиолокационных системах сигнал проходит путь «РЛС - цель» дважды (туда и обратно), так что
где
Rτ=
- скорость распространения электромагнитной волны,
,
- задержка принимаемого сигнала относительно излу-
ченного.
Скорость распространения электромагнитных волн в сво-
17
299793/310/.
сскмскмс
:
/
ссn
n
(1)10200400
4
10
Rc
−
∆∆
бодном пространстве (вакууме)
==⋅
0
5
Скорость распространения радиоволн в атмосфере
= , (1.1)
0
где
- коэффициент преломления.
В тропосфере коэффициент преломления n зависит отт
температуры, давления и влажности. У поверхности земли
n −⋅=÷
6
в зависимости от времени, места и по-
годы. Разброс n определяет предельную точность измерения
дальности:
Rc
=≈
.
Измерение угловых координат основано на том, что в однородной среде фазовый фронт волны (поверхность равных
фаз) - сфера. Нормаль к фазовому фронту ("угол прихода волны")
и есть направление на источник излучения. При большом удалении от источника излучения фазовый фронт обычно считают
плоским. Определение направления на источник излучения называют пеленгованием, а соответствующее устройство - пеленгатором.
Существуют два метода измерения угловых координат: амплитудный и фазовый. В амплитудном методе используется направленность антенн: максимум приема апертурной антенны
имеет место, когда плоскость ее раскрыва параллельна фазовому фронту волны. Фазовый метод основан на измерении разности фаз сигналов, принятых на разнесенные в пространстве
антенны. Укрупненная структурная схема фазового пеленгатора представлена на рисунке 1.1. Допустим, на антенную систему пеленгатора падает плоская волна под углом α относительно нормали к ней, как показано на рисунке 1.1.
18
∆ α
1 A 2
sin
α
∆=⋅
l
l
∆
2sin
ϕπα
α
l
ϕλ
⋅
A
Пр.
Φ
ϕ
Рисунок 1.1. Укрупненная структурная схема фазового пеленгатора
Разность хода сигналов на антенны A1 и A
,
где
ll
- расстояние между фазовыми центрами антенн (база
Пр.
2
пеленгатора).
Разности хода
соответствует разность фаз
l
=
λ
, (1.2)
откуда следует формула для расчета угла прихода
arcsin
α
=
2
. (1.3)
π
Измерение радиальной скорости базируется на эффекте
Доплера.
Эффект Доплера используется как для определения скорости радиолокационных целей относительно места расположения радиолокатора по отраженному сигналу, так и для опреде-
19
()cos()
utUt
ω
2
()cos()
R
c
2
R
c
R
d
dt
ψ
2Rv
dtc
ψ
dR
2
R
v
c
ления скорости движущихся объектов относительно неподвижных удаленных точек. Этот случай типичен для радионавигации.
Рассмотрим первый случай. Пусть
= - излучаемый сигнал,
ИИ
utUt
ПРПР
tt
ψωω=−
()
00
0
ωω=−
00
- принимаемый сигнал,
- его полная фаза,
- расстояние до цели.
Частота сигнала - производная от его полной фазы по вре-
мени,
ω =
,
откуда получаем
d
где
vdt=
R
- радиальная скорость цели.
Величина
ωωω==−
ωω=⋅
Д
0
00
называется доплеровским смеще-
,
нием частоты. Измеряя его, можно затем вычислить радиальную скорость цели.
Очевидно, доплеровское смещение частоты сигнала, излучаемого движущимся объектом, в неподвижной точке определяется формулой
20
R
v
c
=⋅
R
v
(1,2,3)
(,)(,)(,),
Bxysxysxxyydxdy
(,)
Bxy
∆∆
(,)
sxy
(,)
sxxyy
+∆+∆
где
ωω
Д
- радиальная скорость объекта относительно измери-
. (1.4)
0
тельного пункта.
1.3. Радиотехнические методы определения
местоположения объектов
Положение объекта в пространстве определяется тремя
координатами
xi= в той или иной системе координат..
i
Положение объекта на поверхности земли задается двумя координатами. Методы определения местоположения делятся на
следующие группы:
обзорно-сравнительные;
методы счисления пути;
методы позиционных линий.
Обзорно-сравнительные методы основаны на сравнении
наблюдаемой карты местности с эталонной, внесенной в память системы. На наблюдаемой карте нанесено положение объекта. Совмещение эталонной карты с наблюдаемой позволяет
определить его координаты.
Используемые карты могут иметь различную физическую
природу. Это может быть изображение земной поверхности в
оптическом или радиолокационном диапазоне, карта звездного неба в оптическом или радиодиапазоне, карта радиотеплового излучения земной поверхности и т.д.
Совмещение карт обычно производится путем нахождения их взаимной корреляционной функции. Для двумерных карт
∆∆=⋅+∆+∆
где
∫∫
- взаимная корреляционная функция (ВКФ),
- наблюдаемое изображение,
00
00
- эталонное изображение,
(1.5)
Соседние файлы в папке Учебники