Реферат: Выбор и обоснование тактико-технических характеристик РЛС. Разработка структурной схемы

                                                                =5215

                                                              =0,448 м2

GA – коэффициент усиления антенны;

            SА – эффективная площадь антенны;

η – КПД антенны.

3.2.8. Скорость вращения антенны Ωа..

Скорость вращения антенны выбирают с учетом требований в отношении сокращения времени обзора и надежности наблюдения сигналов.

При заданных значениях ширины диаграммы направленности q, частоты следования импульсов Fn и сектора обзора Daобз скорость вращения антенны определяется выражением:

                                                                                                   (11)

0.417×c-1

                                                                                                                  (12)

40 град × c-1

3.2.9. Количество импульсов в пакете Nu.

Количество импульсов в пакете зависит от ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости q, скорости вращения антенны W и частоты следования зондирующих импульсов Fn:

                                                                                                 (13)

20

3.2.10. Чувствительность приемника Pnmin.

Приемное устройство осуществляет обнаружение сигналов. Обнаружение сигналов при оптимальной фильтрации обычно сводится к следующим операциям:

¨       оптимальная фильтрация каждого импульса пакета;

¨       амплитудное детектирование;

¨       синхронное интегрирование видеосигналов;

¨       испытание суммарного сигнала на порог.

Первые две операции обычно выполняет приемное устройство, а остальные – выходное. Применение оптимальной обработки сигналов приводит к уменьшению пороговой мощности. Под пороговой мощностью радиолокационных сигналов понимают минимальную мощность сигнала на его входе, при которой обеспечивается прием и обнаружение отраженных сигналов с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.

Величина пороговой мощности радиолокационных сигналов зависит от заданных значений вероятностей правильного обнаружения D и ложной тревоги F, параметров радиолокационных сигналов, времени наблюдения и вида обработки радиолокационных сигналов.

Пороговая мощность является реальной чувствительностью приемника. Она определяется выражением:

                                                                         (14)

где:

k – постоянная Больцмана, k = 1.380662Ч10-23JЧK-1;

            Т – абсолютная температура, Т = 300К;

            Df – полоса пропускания приемника;

            Nш – коэффициент шума приемника;

            mp – коэффициент различимости.

Полоса пропускания приемника определяется по формуле:

где:

а – коэффициент, учитывающий степень искажения сигнала, проходящего через приемник, а = 1.37

8.059×105 × Гц

Коэффициент шума приемника задан в условии и равен Nш = 10 dB.

Коэффициент различимости определяется из выражения:

                                                                            1,297

Чувствительность приемника равна:

                                     4,327×10-14 ×Вт

или в dB/мВТ

                                         113.6 dB/мВТ

где:

Ро = 10-3Вт – исходный отсчетный уровень.

            3.2.11. Оцениваем эффективную отражающую поверхность цели.

Удельная эффективная отражающая поверхность цели:

Рассеивающий объём на максимальной дальности:

                                                       9,266

Полная эффективная отражающая поверхность цели:

                                                                                      4,82 105 м2

3.2.12. Влияние затухания a.

Затухание радиоволн в атмосфере обусловлено поглощением их энергии свободными молекулами кислорода и водяного пара, а также взвешенными частицами – пылинками и каплями воды. Кроме того, происходит рассеяние радиоволн жидкими и твердыми частицами, которые вызывают эффект, аналогичный поглощению энергии.

Влияние постоянного затухания a на максимальную дальность действия РЛС определяется выражение:

                                                                    (16)

где:

R`max – дальность действия РЛС с учетом затухания;

            Rmax – дальность действия РЛС без учета затухания;

a - коэффициент затухания, зависящий от длины волны и от интенсивности осадков или от водности облаков.

Например, если на трассе идет дождь интенсивностью 15 мм/час, то для длины волны l = 3 см коэффициент затухания a = 0,03 dB/kм.

Уравнение (16) является трансцендентным. Решить его можно графически. Для облегчения задачи целесообразно путем логарифмирования обеих частей привести уравнение к виду:

                                                                                           (17)

Зависимость aЧRmax = j(g) представлена на рис. 2:

g = 0.477

Откуда определяется дальность действия РЛС с учетом затухания:

214,65×kм

f(0.477)=13,5

Для того, чтобы РЛС в плохую погоду действовала на расстояние 450×kм, необходимо рассчитывать её на расстояние:

                                                         943,4км

3.2.13.Импульсная мощность излучения Pu

В зависимости от назначения станции мощность излучаемых импульсов выбирают от единиц киловатт до тысяч киловатт. Мощность излучения рассчитывают в соответствии с основным уравнением радиолокации, откуда:

                                                                           (15)

где:

Da – коэффициент направленного действия антенны;

            Sa – эффективная площадь антенны;

            L0 – учитывает потери в системе (L0=5)

Мощность излучения передатчика РЛС равна:

                                       480 ×kВТ

3.2.14. Средняя мощность излучения Pср передатчика.

                                                                   226 Вт

4. Описание обобщённой структурной схемы РЛС

Структурная схема РЛС с визуальной индикацией цели изображена на рис3.

Рис. 3. Структурная схема импульсной РЛС

Синхр. – синхронизатор; ИМ – импульсный модулятор; СВЧ Ген. – генератор СВЧ; АП – антенный переключатель; ГМИ – генератор масштабных импульсов; ПРМ – приемник; ГР – генератор развертки; ЭЛТ – электронно-лучевая трубка; ССП – сильсинно-следящая передача; МВА – механизм вращения антенны.

Данные по параметрам РЛС можна найти в сводной таблице 1.

Антенна РЛС имеет веерообразную диаграмму направленности, то есть узкую в горизонтальной плоскости (шириной в несколько градусов или долей градуса q=30), и достаточно широкую (десятки градусов Dbобз=350) в вертикальной плоскости. При вращении такая антенна обеспечивает не только требуемый обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и измерение азимута.

Этот принцип сохраняется как для обзора воздушного пространства (наземная РЛС), так и для обзора земной поверхности (бортовая РЛС). Для визуальной индикации двух координат цели следует использовать двухмерный индикатор кругового обзора (ИКО) с яркостной отметкой цели, в котором обычно применяются ЭЛТ с магнитным управлением. В нашем случае используем секторный индикатор для увеличения коэффициента использования антенны. Импульсные сигналы с выхода приемника подается на управляющий электрод ЭЛТ, и увеличивают яркость экрана во время их появления.

Развертка дальности осуществляется с помощью отклоняющей катушки, создающей магнитное поле, которое равномерно перемещает электронный луч от центра экрана ЭЛТ к его краю. Азимутальная развертка получается с помощью сельсинно-следящей передачи (ССП), которая обеспечивает синфазное с вращением антенны по азимуту вращение радиальной развертки вокруг центра.

Синхронизатор РЛС вырабатывает периодическую последовательность импуль-сов с периодом Tn=3,6 10-3, которые воздействуют одновременно (либо с некоторым постоянным запаздыванием) на модулятор, генератор развертки дальности и генератор масштабных импульсов. Импульсный модулятор вырабатывает модулирующие видеоимпульсы длительностью tu=1,7 10-6, воздействующие на генератор СВЧ. Последний вырабатывает радиоимпульсы примерно такой же длительности.

Генератор СВЧ формирует периодическую последовательность радиоимпульсов, излучаемую антенной в виде зондирующего сигнала. Отраженный импульс появляется на входе приемника через интервал времени tз. На выходе приемника образуются видеоимпульсы, смешанные с шумом, которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ.

Генератор развертки дальности вырабатывает в отклоняющей катушке пилообразно изменяющийся ток. При этом электронный луч совершает равномерное движение вдоль радиуса ЭЛТ, который в свою очередь вращается вместе с антенной. Такая развертка луча на экране ЭЛТ называется радиально-круговой. Она создает на экране изображение (часто именуемое растром) в виде тесно примыкающих друг к другу радиусов.

Генератор масштабных импульсов вырабатывает серию импульсов, которые могут быть периодическими, либо иметь вид пачек, действующих в пределах длительности прямого хода развертки. Такие импульсы можно формировать, например, с помощью генератора ударного возбуждения. Часть применяются масштабные импульсы отрицательной полярности, подаваемые на катод ЭЛТ (это облегчает развязку выходных цепей приемника и генератора масштабных импульсов).

Механизм формирования изображения на экране ЭЛТ описан ниже. При вращении антенны, когда край диаграммы направленности совпадает с направлением на цель, на соответствующем радиусе развертки под действием импульса цели возникает яркая точка. Кроме того, возникает серия ярких эквидистантных точек под действием масштабных импульсов. Вращение антенны по часовой стрелке равносильно перемещению цели в обратном направлении. После полного оборота антенны на экране образуются масштабные кольца (электронная шкала дальности), а цель будет иметь вид небольшой дуги, угловые размеры которой приблизительно равны угловой ширине луча антенны.

Дальность цели отсчитывается с помощью масштабных колец. Азимут же цели b отсчитывается по положению середины ее отметки относительно какого либо начального направления, например северного направления меридиана.

Бортовые радиолокаторы, созданные на элементной базе первого поколения (электронные лампы, объемный монтаж), отлича­лись большими габаритами и массой, имели малую надежность и состояли из большого количества блоков. Переход к элементной базе второго поколения (полупроводниковые приборы и модули) позволил значительно улучшить характеристики ряда узлов и блоков.

Эволюция РЛС шла, в основном, по пути уменьшения массы, габаритов, количества блоков и повышения надежности, а не увеличения мощности или раскрыва антенны. Ко второму поколению метеонавигационных РЛС относятся радиолокаторы «Гроза», получившие широкое распространение. При разработке модификаций РЛС «Гроза» учитывалось развитие элементной базы, поэтому современные модификации РЛС «Гроза» можно считать переходными к третьему поколению (интегральные микросхемы, микромодули). В настоящее время осуществляется переход к твердотельному исполнению бортовых РЛС и к цифровым методам обработки данных.

Наш метеонавигационная РЛС будет построен на основе локаторов второго поколения типа «Гроза».

Рассмотрим общую компоновку метеонавигационной РЛС семейства радиолокаторов «Гроза». С целью обеспечения оптимальных комплектаций радиолокатора для создаваемых и переоборудуемых самолетов основные его блоки выпускаются в различных вариантах. Все варианты и модификации максимально унифицированы, что позволяет удешевить их серийное производство и эксплуатацию, а также обеспечивает возможность использования в других комплектациях.

В любую комплектацию радиолокатора как минимум должны входить четыре блока: антенный (блок 1), основной приемо-передающий (блок 2), стабилизации и управления (блок 7), основной индикаторный (блок 4). Каждый из этих блоков может быть любой модификации.

При комплектации радиолокатора одним индикаторным блоком в состав комплекта обязательно должен быть включен эквивалент дополнительного индикатора (блок 35). При оснащении самолета двумя индикаторами дополнительный индикатор включается вместо указанного эквивалента.

Для повышения надежности РЛС в комплект вводят резервный приемопередатчик (блок 2) любой модификации. В этом случае необходима также коммутационная коробка (блок 17) и волноводный коммутатор (блок 47).

Радиолокатор сопрягается с самолетными гировертикалями, имеющими выходы сигналов крена и тангажа. Для коррекции текущих координат в комплект включают блок коррекции (блок 28), взаимодействующий с навигационным вычислителем.

При невозможности размещения на самолете основного индикатора (блока 4) вместо него может быть установлен дополнительный индикатор (блок 4-Д), имеющий меньшие размеры. В этом случае в комплектацию станции обязательно выводится отдельный пульт управления (блок 10).

Комплектация радиолокатора для данного типа самолета выбирается самолетостроительным предприятием и согласовывается с главным конструктором радиолокатора.

Разработка конструкции волноводного тракта для выбранной комплектации осуществляется разработчиком РЛС. Номинальные дальности действия РЛС обеспечиваются, если длина волноводного тракта не превышает 7 м. При большей длине тракта дальность сокращается примерно на 1,5% на каждый последующий метр длины. Для компенсации этих потерь можно использовать второй приемопередатчик блок 2-У (с предварительным усилителем на туннельном диоде).

После согласования с главным конструктором радиолокатора комплектации РЛС, схемы её сопряжения радиолокатору присваивается условное обозначение, например, «Гроза 40» — для самолета Як-40, «Гроза 154» — для самолета Ту-154.

Функциональная схема радиолокатора при работе в режимах «Земля», «Метео», «Контур», «Снос» показана на рис. 5 РЛС представляет собой импульсный некогерентный радиолокатор со сканирующей в азимутальной плоскости антенной и индикатором «азимут—дальность». Схема (рис. 5) содержит все элементы типовой структурной схемы импульсной РЛС, однако они скомпонованы в четырех основных блоках, выделенных пунктиром.

Синхронизация работы передающего канала РЛС осуществляется частотой 400 Гц питающей сети. Модулятор приемопередатчика формирует высоковольтные импульсы, поступающие на магнетрон, который генерирует СВЧ импульсы. Для обеспеченияпрогрева катода магнетрона в модуляторе приемопередатчика осуществляется задержка на 3—5 мин формирования модулирующего импульса по отношению к моменту включения напряжения питания 115В 400Гц. СВЧ импульсы через циркулятор и ферритовый вращатель плоскости поляризации по волноводному тракту передаются на облучатель антенного блока. Циркулятор служит для переключения антенны с приемного на передающий канал, т. е. выполняет функцию антенного переключателя.

Рис. 5. Функциональная схема РЛС семейства «Гроза»

Ферритовый вращатель плоскости поляризации служит для изменения поляризации СВЧ колебаний. В зависимости от поляризации СВЧ колебаний отражателем антенного блока формируется либо веерная косеканс-квадратная диаграмма направленности (для обзора земли), либо узкий симметричный луч. Отражатель антенного блока сдвоенный и состоит из параболического отражателя и отражателя специальной формы. Параболический отражатель представляет собой симметричный параболоид вращения, изготовленный из полностью металлизированной стеклоткани. При облучении параболического отражателя электромагнитной энергией он формирует диаграмму в виде узкого луча. Профиль отражателя специальной формы в вертикальных сечениях рассчитан для получения веерной диаграммы направленности типа косеканс-квадрат. Этот отражатель изготовлен из стеклоткани, металлизированные нити в которой расположены строго горизонтально с шагом 3 мм. При вертикальной поляризации электромагнитная энергия беспрепятственно проходит сквозь отражатель специальной формы и, отражаясь от параболоида, формирует узкий симметричный луч.

При изменении поляризации облучающих колебаний с вертикальной на горизонтальную (при подаче 27В на ферритовый вращатель плоскости поляризации) отражатель специальной формы, непрозрачный для волн этой поляризации, совместно с параболоидом вращения образует профиль, формирующий веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости.

Отраженные от целей сигналы (СВЧ импульсы), принятые антенным блоком радиолокатора, по волноводному тракту через циркулятор и разрядник защиты приемника поступают на смеситель канала сигнала, куда подается также СВЧ сигнал от гетеродина. После преобразования частоты с выхода смесителя импульсы промежуточной частоты поступают в предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) и затем в основной усилитель промежуточной частоты (УПЧ).

В ПУПЧ и УПЧ сигналы усиливаются и детектируются. Регулировка усиления приемного канала по выбранному закону осуществляется узлом ВАРУ–РРУ, который запускается одновременно с излучением СВЧ импульса. Кроме того, узел ВАРУ—РРУ обеспечивает запирание приемника на время действия мощного импульса магнетрона.

Схема АПЧ служит для поддержания постоянной разности частот магнетрона и гетеродина (промежуточной частоты). На смеситель АПЧ через предельный аттенюатор поступает часть СВЧ энергии магнетронного генератора. После преобразования на выходе смесителя образуются импульсы промежуточной частоты, которые поступают на вход узла АПЧ. Узел АПЧ вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению промежуточной частоты от ее номинального значения. Этот сигнал воздействует на управляющий электрод гетеродина.

С выхода УПЧ видеосигнал подается на вход видеоусилителя. Видеоусилитель при работе РЛС в режиме «Земля» имеет ступенчатую, в режиме «Метео» — линейную, а в режиме «Контур» — линейно-падающую амплитудные характеристики. В видеоусилителе происходит усиление видеосигнала и смешивание его с калибрационными метками дальности, вырабатываемыми синхронизатором. Кроме того, в видеоусилитель из синхронизатора поступает импульс подсвета, обеспечивающий наблюдение сигналов на экране ЭЛТ только во время прямого хода развертки.

В режиме «Контур» видеоусилитель преобразует сигналы к виду, удобному для индикации опасных для полетов зон, т. е. осуществляет выделение метеорологической информации.

Усиленный видеосигнал, смешанный с метками, поступает на ЭЛТ.

С помощью ключевой мостовой схемы развертки на экране ЭЛТ создается радиально-секторная развертка в координатах азимут—дальность. Модуляция по амплитуде линейно-нарастающих импульсов тока схемы развертки происходит с частотой азимутального сканирования антенны с помощью вращающегося трансформатора (ВТ) развертки канала азимутального привода антенны.

Стабилизированный высоковольтный источник питания обеспечивает питание второго анода ЭЛТ. Питание на остальные электроды ЭЛТ подается из узла питания трубки.

Модулятор приемопередатчика генерирует импульсы бланкирования и старт-импульс, синхронизирующие работу индикаторного и приемного каналов РЛС. Старт-импульс формируется в момент излучения СВЧ импульса в модуляторе и поступает на вход синхронизатора индикаторного блока. Синхронизатор вырабатывает ключевой импульс управления разверткой и импульс подсвета, начало которых совпадает с моментом прихода старт-импульса. Кроме того, синхронизатор формирует калибрационные метки дальности, первая из которых совпадает с моментом излучения, т. е. соответствует нулю дальности. Старт-импульс запускает также узел ВАРУ—РРУ приемного устройства.

Схема электромеханического управления антенной обеспечивает сканирование антенны по азимуту и совмещение оси диаграммы направленности с плоскостью горизонта (или заданной плоскостью) при крене и тангаже самолета по каналу наклона.

Азимутальное сканирование осуществляется с помощью двигателя азимута и редуктора.

Решающий ВТ служит для получения напряжения, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению требуемого угла наклона луча. Это достигается запиткой обмоток ВТ напряжениями крена и тангажа с самолетной гировертикали через преобразующе-выравнивающие цепи блока стабилизации и управления. Снимаемое с роторной обмотки решающего ВТ напряжение поступает на входные цепи блока стабилизации и управления, где оно сравнивается с напряжением, пропорциональным углу наклона отражателя в данный момент, полученному с ВТ наклона. Суммарное переменное напряжение поступает на вход магнитно-тиристорного усилителя УР-20, откуда подается на обмотку управления двигателя наклона, перемещающего отражатель в плоскости наклона..

ВТ наклона является не только датчиком истинного текущего угла наклона отражателя, но и служит приемником и системе дистанционной передачи ручного наклона, плоскости стабилизации. Сигнал ручного наклона поступает с ВТ механизма ручного наклона индикаторного блока.

В данной курсовой работе были отработаны навыки самостоятельного решения инженерных задач, производился выбор и расчет тактико-технических характеристик (ТТХ) радиолокационной станции (РЛС), закреплялись вопросы соотношения параметров и принципы построения РЛС, используемых в гражданской авиации (ГА). Также рассматривалось влияние отдельных параметров и мешающих факторов (помех, условий распространения радиоволн) на показатели качества функционирования РЛС.

1.       Финкельштейн М. Н. Основы радиолокации. – М.: Радио и связь, 1973, - 496 с.

2.       Современная радиолокация (Анализ, расчет и проектирование систем) / Под ред. Ю. Б. Кобзарева. – М.: Сов. радио, 1969, - 704 с.

3.       Соколов П. М. Теоретические основы радиолокации (Методические указания по курсовой работе для студентов …).

4.       Яновский Ф. Й. Бортовые метеонавигационные радиолокаторы. Структура системы и особенности построения передающих устройств. – Киев. 1987, -.78с.