Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование радиолокационных систем. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Рязанский государственный радиотехнический университет
Д.И. ПОПОВ
1
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Учебное пособие
Рязань 2016
2
УДК 621.396.96 (021)
Проектирование радиолокационных систем: учеб. пособие / Д. И. Попов;
Рязан. гос. радиотехн. ун-т. – Рязань, 2016. – 80 с.
Изложены общие принципы проектирования радиолокационных систем,
удовлетворяющих поставленным тактико-техническим требованиям. Основное внимание уделено проектированию цифровых когерентных и некогерентных обнаружителей одночастотных и многочастотных, эквидистантных и неэквидистантных сигналов на фоне некоррелированных и коррелированных
(пассивных) помех. Освещены вопросы проектирования цифровых измерителей координат целей: дальности, угловой координаты и радиальной скорости.
Рассмотрен выбор технических параметров радиолокационной системы.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника» и специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы», и магистрантов, обучающихся по направлению «Радиотехника».
Ил. 124. Библиогр.: 20 назв.
Проектирование, системы, когерентные обнаружители, инвариантные
обнаружители, некогерентные обнаружители, многочастотные сигналы, эквидистантные и неэквидистантные сигналы, некоррелированные помехи, пассивные помехи, измерители координат
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского
государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра радиотехнических систем Рязанского государственного радиотехнического университета.
© Попов Д. И., 2016
©
Рязанский государственный
радиотехнический университет, 2016
3
ВВЕДЕНИЕ
Современные радиолокационные системы (РЛС) представляют собой,
как правило, сложнейшие радиотехнические комплексы, являющиеся составными элементами разветвленных систем управления. Проектирование подобных комплексов является весьма сложной задачей, требующей принципиально нового подхода. Методологической основой такого подхода является сис-
темотехника. В системотехнике под проектированием понимается процесс
создания новой системы от составления технического задания на разработку
до изготовления опытного образца системы и проведения его всестороннего
испытания. Проектирование разделяется на две достаточно ярко выраженных
стадии: системного проектирования – выбор и организация функций и
структуры системы в целом, технического проектирования – выбор и проектирование элементов системы.
При системном проектировании система рассматривается как совокупность элементов, объединенных для решения определенных задач, прежде
всего за счет управляемого взаимодействия элементов. РЛС состоит из ряда
элементов (антенны, передатчика, приемника, устройства обработки данных),
общей задачей которых является обнаружение целей и определение их местоположения с помощью электромагнитных волн. На стадии системного проектирования основной задачей является построение структуры будущей системы – фиксированной совокупности элементов и связей между ними. В целом
процесс проектирования можно конкретизировать путем расчленения последовательности операций, выполняемых разработчиком системы, на ряд взаимосвязанных этапов.
Первый этап проектирования начинается с получения от заказчика технического задания на проектирование, в котором отражаются назначение и
основные требования к системе и ее выходным параметрам. На основе технического задания разрабатывается техническое предложение, которое содержит дополнительные требования к РЛС, не указанные в техническом задании.
В техническом предложении описываются различные варианты построения
системы и проводится их сравнительный анализ.
Второй этап включает в себя разработку эскизного проекта будущей
РЛС. Целью эскизного проекта являются определение основных направлений
и способов создания системы и выбор оптимальной системы, т. е. системы,
приближающейся к идеальной с учетом физических, экономических или технических ограничений. Эскизный проект, как правило, подкрепляется натурным экспериментом и по сравнению с техническим предложением отличается
более глубокой проработкой всех компонентов проекта.
Третий этап состоит в разработке технического проекта. В техническом проекте приводятся принципиальные схемы всех устройств, входящих в
РЛС, доработанные с учетом замечаний и уточнений, возникших при проведении натурного эксперимента.
Содержанием четвертого этапа является разработка конструкторской
документации, предназначенной для изготовления и испытания опытного
4
образца РЛС. По результатам изготовления, а также предварительных и приемочных испытаний опытного образца осуществляется корректировка конструкторской документации. На этом этапе проводятся как автономные испытания радиотехнических устройств (приемного устройства, передающего устройства, индикаторного устройства и т. д.), так и комплексные испытания
РЛС, включающие, например для наземных РЛС, облеты самолетами. При
этом снимаются характеристики обнаружения, исследуется точность измерения координат, проводятся испытания на надежность и т. д. После сдачи РЛС
заказчику на заводе-изготовителе начинается ее серийное производство.
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
1.1. Тактико-технические требования, предъявляемые
к радиолокационным системам обнаружения
Проектирование системы включает формулирование задачи и ее решение. Постановка задачи вытекает из тактико-технических требований, предъявляемых к системе. В зависимости от типа проектируемой радиолокационной системы тактико-технические требования могут варьироваться в весьма
широких пределах. Рассмотрим содержание и сущность таких требований на
примере РЛС обнаружения, совершающей круговой или секторный обзор
пространства. В таких требованиях должны быть перечислены следующие
основные технические условия:
– назначение радиолокационной системы;
– характеристики цели, включая эффективную площадь рассеяния;
– требуемая зона обзора: секторы по азимуту и углу места, максимальная
и минимальная дальности;
– критерии обнаружения: вероятности правильного обнаружения D и ложной тревоги
F0 за один обзор или средний период ложных тревог Tлт;
– разрешающая способность и неоднозначность: размеры элемента разрешения и допустимая неоднозначность измерения координат;
– точность измерения координат;
– требования к работе на фоне помех от местных предметов: коэффициент подавления помех или коэффициент улучшения;
– другие факторы, связанные с окружающими условиями: описание носителя радиолокационной системы (предельные размеры и вес), окружающие
«радиоэлектронные» условия работы (естественные и искусственные помехи,
пределы излучаемого шума и т. д.);
– стандарты, технические условия на элементы и т. д.
В приведенном перечне кратко указаны основные вопросы, находящие
отражение в типовых тактико-технических требованиях на разработку радиолокационной системы обнаружения. Аналогично могут быть сформулированы тактико-технические требования к другим типам РЛС, например РЛС сопровождения. При этом за основу может быть взят рассмотренный перечень.
5
1.2. Методы синтеза радиолокационной системы,
удовлетворяющей поставленным требованиям
В связи с тем, что не существует «правильной» конструкции радиолокатора, нет и единственного пути решения поставленной задачи проектирования. Процесс синтеза радиолокационной системы, начиная с разработки тактико-технических требований, представляет собой все еще скорее искусство,
чем науку, что приводит к различным подходам при проектировании радиолокационной аппаратуры.
Проектирование на базе существующих систем (метод экстраполяции). Наиболее распространенным из всех методов синтеза радиолокацион-
ных систем является применение экстраполяции на базе существующей радиолокационной аппаратуры. Этот метод является также одним из наиболее
приемлемых при условии, что радиолокационная система, выбранная как база
для дальнейшего развития, удовлетворительно выполняет поставленные перед ней задачи и что эти задачи не отличаются кардинально от задаваемых
новыми тактико-техническими требованиями. Если новые требования основываются на умеренном улучшении характеристик существующих систем, то
оказывается целесообразным модифицировать имеющуюся аппаратуру или
повысить ее качество для удовлетворения новым требованиям.
Применение методов системотехники. Во многих случаях применение
метода экстраполяции является неудобным либо в связи с тем, что новые задачи отличаются от задач, решаемых существующими радиолокационными
системами, либо потому, что новые элементы или методы позволяют поновому подойти к решению старой проблемы. В этом случае наиболее практическим методом является прямой синтез новой конструкции радиолокационной системы на основе заданных тактико-технических требований.
При учебном проектировании разработку системы следует начинать с
проведения обзора по методам измерения координат и методам обзора про-
странства [1…3] и последующего выбора типа зондирующего сигнала, метода обзора и измерений и метода обработки отраженных сигналов.
Выбор зондирующего сигнала. Все известные виды модуляции равным
образом удовлетворительны с точки зрения выделения сигналов на фоне собственного шума, если приемный тракт согласован со спектром излучаемых
сигналов. Однако широкое использование импульсных радиолокационных
систем свидетельствует об их преимуществах во многих практических случаях. Первым преимуществом является наличие развязки между передатчиком
и приемником, осуществляемой с помощью антенного переключателя импульсного радиолокатора. Вторым преимуществом импульсных систем является обычно лучшее разрешение по времени между соседними целями и между целями и отражениями от местных предметов, находящихся на малой
дальности, по сравнению с разрешением по частоте в системах с непрерывным излучением колебаний. Схемы фильтрации приемника и схемы обработки сигналов проще в импульсных системах, чем в системах, использующих
6
различные формы модулированных непрерывных колебаний. В связи с этим
методы непрерывного излучения колебаний ограничиваются в значительной
степени областями применения, для которых не имеет существенного значения разрешающая способность системы при работе по групповым целям, как,
например, в бортовых радиовысотомерах, доплеровских навигационных устройствах и радиолокаторах контроля скорости автомобилей. В зависимости
от поставленных задач обнаружения и измерения могут быть использованы
различные виды импульсных сигналов: высокой и малой скважности, простые и сложные, когерентные и некогерентные, одночастотные и многочастотные, эквидистантные и неэквидистантные.
Выбрав импульсный тип передачи, можно по заданным тактикотехническим требованиям к РЛС выбрать параметры зондирующего сигнала,
антенны, приемника и других узлов РЛС и определить мощность (импульсную и среднюю) передатчика (см. раздел 5), при которой гарантируется обнаружение целей или измерение их координат на максимальной дальности. Если получить требуемый уровень импульсной мощности затруднительно или
невозможно, используют сложные сигналы, позволяющие достичь требуемой
разрешающей способности по дальности или точности при значительно более
длинных импульсах и более низких уровнях импульсной мощности. Сложные
сигналы сочетают достоинства фазовой или частотной модуляции, приводящей к широкополосным сигналам, с развязкой импульсных систем.
Для расширения функциональных возможностей импульсной РЛС высокой скважности, например для однозначного измерения радиальной скорости,
применяются многочастотные или неэквидистантные сигналы.
При учебном проектировании выбираются и обосновываются тип зондирующего сигнала и его основные показатели (например, для многочастотных
сигналов – число частотных компонент, для неэквидистантных сигналов –
закон изменения периодов повторения), а при использовании сложных сигналов – вид внутриимпульсной модуляции.
Выбор метода обзора и измерений. Противоречия, возникающие вследствие необходимости сочетания поиска в большом телесном угле с требованиями обеспечить высокие точности измерений, можно устранить путем разделения функций радиолокационной системы на две или больше категорий,
когда радиолокатор обнаружения используется совместно с высотомером или
радиолокатором сопровождения. Например, радиолокационная система обнаружения воздушных целей определяет, как правило, только две координаты –
дальность и азимут. Такая РЛС имеет вращающийся по азимуту веерный луч,
широкий в вертикальной плоскости
и узкий в горизонтальной плоскости (рис. 1.1, а). Для измерения
третьей координаты (угла места или
высоты) в этом случае используется
а б
Рис. 1.1
отдельная радиолокационная система, называемая высотомером, с
Рис. 1.2
Рис.
1.3
β
H
R
R
7
лучом, узким в вертикальной плоскости и широким в горизонтальной (рис.
1.1, б). Координаты, определяемые РЛС обнаружения, можно использовать
для ориентирования высотомера по азимуту и дальности.
Зона обзора РЛС обнаружения воздушных целей образуется из полусферы с центром, совпадающим с точкой расположения РЛС, путем исключения
верхней части полусферы (рис. 1.1, а), что ограничивает зону обзора по углу
места сектором от горизонтальной плоскости до 30…45o.
В РЛС обнаружения баллистических или низколетящих крылатых ракет
сектор обзора по углу места составляет 10…15o или около 30o соответствен-
но. Во всех случаях по углу места в РЛС обнаружения, как правило, осуществляется мгновенный обзор, причем заданный сектор может перекрываться либо одним широким лучом для воздушных целей (самолетов), либо нескольки-
ми узкими (шириной 2…5o) для баллистических или низколетящих крылатых
ракет, что соответствует мгновенному многолучевому обзору (рис. 1.2). В последнем случае осуществляется раздельное обнаружение
цели в каждом луче, что приводит к многоканальному
построению РЛС [1].
Сигналы, принятые отдельными лучами (лепестками), поступают в приемники соответствующих каналов.
Азимут и дальность измеряются по всем каналам сразу.
Угол места грубо определяется по номеру канала, в котором обнаружен сигнал. Уточнение угла места производится по соотношению амплитуд или фаз сигналов в двух смежных каналах.
Разрешающая способность и соответственно ширина антенного луча по
азимуту в РЛС обнаружения воздушных целей составляет примерно 1…2o, а
в РЛС обнаружения баллистических ракет – 0,5…1o и менее.
Зона обзора по азимуту в большинстве случаев принимается равной
360o, что предполагает режим последовательного кругового обзора. При об-
наружении баллистических и крылатых ракет задается секторный обзор.
В наземных радиовысотомерах сектор поиска по углу места (рис. 1.1, б)
не превышает 30o [2]. Для ширины луча в вертикальной плоскости типичными являются углы 0,3…0,6o, а в горизонтальной – 5…10o Путем сканирова-
ния луча измеряется угол места цели β, по которому совместно с дальностью цели R определяется высота полета цели
H (рис. 1.3). С учетом атмосферной рефракции и кривизны
земной поверхности имеем
2
R
2
R
э
где
м 10853/10637043/4
sin
RH +β= ,
зэ
При учебном проектировании
обзора
в РЛС обнаружения и
53
⋅=⋅⋅== RR – эффективный радиус Земли.
необходимо выбрать и обосновать
методы измерения координат
, например высо-
з
метод
8
ты, в наземных радиовысотомерах. При этом следует выбрать и обосновать
форму и параметры антенного луча
, а также
число лучей
.
Выбор метода обработки сигналов
. Выбираемый метод обработки принимаемых сигналов должен обеспечивать максимальный совокупный эффект,
характеризуемый вероятностными и точностными характеристиками выдаваемой потребителю информации. В конечном счете эта задача сводится к
выбору алгоритмов и вычислительных средств для обработки радиолокационных сигналов на всех этапах от предварительного усиления и преобразования радиосигналов до подготовки и выдачи данных потребителю. Для решения этих задач используются хорошо разработанные в статистической теории
методы и алгоритмы обработки сигналов [4…6]. К числу операций первичной
обработки радиолокационных сигналов относятся:
– пространственная (антенная) обработка когерентных сигналов много-
элементной антенной системы;
– временна7я или частотная внутрипериодная обработка когерентных
сигналов, включающая нелинейную обработку (ограничение, логарифмирование и т. д.) и корреляционную обработку или согласованную фильтрацию;
– межпериодная компенсация коррелированных (пассивных) помех, обусловленных отражениями от местных предметов, гидрометеоров и специальных отражателей (искусственных пассивных помех);
– межпериодная когерентная (многоканальная или одноканальная) или
некогерентная обработка сигналов на фоне некоррелированных помех или остатков коррелированных помех и формирование решающей статистики;
– пороговое испытание решающей статистики и реализация алгоритмов
обнаружения и оценивания параметров сигналов или координат целей.
Широкое распространение получили системы цифровой обработки радиолокационных сигналов. Благодаря гибкости и универсальности цифровой
обработки сигналов в течение длительного времени она неизменно применяется в эксплуатируемых и разрабатываемых РЛС. Современное состояние аппаратно-программных средств цифровой обработки сигналов открывает возможности для цифровой реализации всех операций обработки, включая пространственную обработку когерентных сигналов.
Далее в пособии рассматривается
реализация цифровой обработки
, на-
чиная с согласованной фильтрации сложных сигналов.
Процесс проектирования системы цифровой обработки радиолокационных сигналов в общем случае разделяется на два этапа: проектирование алгоритмов и проектирование вычислительных средств [5]. На первом этапе разрабатываются формульные и логические схемы алгоритмов обработки сигналов, составляется комплексный алгоритм решения задачи обработки. На втором этапе определяется состав вычислительных средств, а также формулируются требования к их основным параметрам и компонентам архитектуры.
При учебном проектировании
алгоритмы внутрипериодной и межпериодной обработки сигналов
следует выбрать и обосновать
методы и
.
<<
∆
f
∆
ψ
)(t
ψ
+=ψ+ψ
=
Рис.
2.1
Рис.
2.2
ω
0
cos
ω0t
ν
~
~
~
~
~
~
ν
~
~
~
~
~
~
9
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ
НА ФОНЕ НЕКОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХ
2.1. Аналого-цифровое преобразование сигналов
Для обработки радиолокационных сигналов с помощью цифровых вычислительных устройств необходимо их предварительное преобразование в
цифровую форму. Такое преобразование обычно производится в два этапа. На
первом –
дискретизации по времени
– непрерывный сигнал преобразуется в
последовательность значений (выборок) в дискретные моменты времени. На
втором этапе –
амплитудном квантовании
– эта последовательность выборок
преобразуется в последовательность двоичных кодовых слов. Операции дискретизации и квантования производятся с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), параметрами которых являются длительность интервалов дискретизации и число уровней квантования выборок сигналов.
Временна:я дискретизация сигналов
. Дискретизация непрерывной
функции времени состоит в отсчете ее выборочных значений длительностью
τд в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал
рый называется
периодом дискретизации
.
v(ktд)
При цифровой обработке радиолокационных
t
(рис. 2.1), кото-
д
v(t)
сигналов временно7й дискретизации подвергается
случайный узкополосный процесс на выходе аналоговой части приемника при 1/
ширина спектра исходного процесса,
ff , где
0
f – централь-
0
–
0
τд
tд
t, kt
д
ная (промежуточная) частота. Это позволяет аналогично [4] использовать комплексное представление исходного процесса в виде
t
j
ω
аналитического сигнала
0
tV
e)(
с комплексной огибающей
содержащей радиолокационную информацию в огибающей
=
)(0tv и
tvtV
0
фазе
)(j
t
e)()(
,
.
Комплексная огибающая также может быть представлена в виде
)(j)()(sin)(j)(cos)()(
tvtvttvttvtV
, (2.1)
sc
где
)(tv
00
и )(tv
c
–
s
синфазная и квадратурная составляющие узкополосного
процесса, которые могут быть получены умножением исходного процесса на
два ортогональных гетеродинных напряжения с частотой
f0.
Данную операцию выполняют фазовые детекторы совместно с включен
ными на их выходах фильтрами нижних частот, подавляющими все высшие
гармоники и пропускающими без искажений низкочастотные квадратурные
составляющие процесса, которые и
подлежат дискретизации в АЦП
(
рис
. 2.2). В
соответствии с теоремой
отсчетов для двумерного сигнала пе
риоды дискретизации квадратурных
составляющих
)(tv
и )(tv
c
s
опреде
ляются максимальными частотами
t
j
ω
0
tV
e)(
-
2
t
д
2
Vk=vck+jv
sk
-
sin
t
t
д
-
≤
=
τ
τ
τ
=
τ
≤
≈
≈
≤
τ
τ≥=
τ
τ
≤
+=′
σ≤=
δ
σ
=δ≈δ−
=
===
ν
≈=ν=η
′
Рис. 2.3
v
δ
ξ
v
v
δ
/2
′
Рис
.
2.4
δ
v
v
∑
Рис
.
2.5
10
их спектров, которые одинаковы и равны
f .
max
Выборки каждой квадратурной
составляющей должны производиться одновременно и через одинаковые ин
тервалы
стью
(ЛЧМ) сигнала
ты
fW , т. е.
приходящихся на длительность сигнала
чески период дискретизации выбирается в
=
c
)
и
/1 ftt
cs
f ,
max
maxдд
/1
.
Так, для
t .
и
простого импульсного сигнала (
Для
ид
линейно-частотно-модулированного
максимальная частота спектра определяется девиацией часто
max
f
Тогда
д
max
,
составит
c
Wf
.
2…3
Для
фазоманипулированного импульсного сигнала
Wft /1/1
, а
число парных выборок
f
раза меньше (см. п
число парных выборок
длительно
Wnn .
c
fcs
. 2.3) [5].
Практи
должно быть не меньше числа элементов в кодовой последовательности. Если
–
длительность элементарного сигнала, то
1
Амплитудное квантование сигналов.
в АЦП (рис
ний квадратурных составляющих
Многоуровневое квантование
. 2.2)
производится амплитудное квантование выборочных значе
.
знакопеременных выборок с постоянным
шагом осуществляется в соответствии с изображенной на рис
ной характеристикой. Здесь
}{iv – пороги квантования, δ – шаг квантования,
t .
1
д
Кроме временно7й дискретизации
. 2.3
амплитуд
-
-
,
-
-
-
}{iv′ –
дискретные значения выходного сигнала, отнесенные к середине соот
v
v
1+′i
′
v
i
где
d –
динамический диапазон аналоговой части приемника
Число разрядов
где
]a[
означает ближайшее целое, не меньшее
vvv . (2.2)
2/)(
1
+
iii
При квантовании квадратурных составляющих
комплексной амплитуды радиолокационных сигналов
ветствующего интервала
v
v
1+i
i
обычно
шаг квантования выбирается из условия
v ,
min
где
ш
шумов приемника. Число уровней квантования
к
двоичного кода для представления выборки
[lg32,3][log][log]
ddm
к
2
2
, (2.4)
ш
:
–
среднеквадратичное значение
dvvvm
//)(
maxminmax
, (2.3)
.
a.
Для выбора и характеристики АЦП часто используется число децибел
динамического диапазона на один разряд преобразования
дБ/разряд
6lg32,3lg20lg20
д
ddd . (2.5)
Ступенчатую амплитудную характеристику АЦП можно представить в
виде суммы двух составляющих: линейной составляющей и кусочно
-
-
v
v
i
=
+
ξ
-δ/2
′
v
i
i
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]