Выбор способа обзора пространства

 

В современных РЛС используются следующие виды обзора:

одновременный (число антенных лучей равно числу разрешенных объемов по углу места);

последовательный (зона обнаружения просматривается антенным лучом последовательно во времени);

смешанный (на одной угловой координате - последовательный, а на другой одновременный).

Последние два способа обзора пространства чаще всего используются при построении РЛС.

При выборе способа обзора пространства необходимо учесть такие критерии, как:

энергетический (энергия, излучаемая РЛС в зону, средняя мощность канализируемая по одному каналу);

информационный (число измеряемых координат и темп выдачи информации с них);

разрешающая способность и точность измерения угловых координат;

помехозащищенность;

степень сложности технической реализации и стоимость.

Предлагаю выбрать смешанный способ обзора пространства с одновременным обзором в угломестной плоскости и последовательным в азимутальной плоскости.

Одновременный обзор пространства в угломестной плоскости предлагаю осуществить, используя метод частотного сканирования луча по углу места. В РЛС с частотным сканированием луча по углу места применяется ЛЧМ зондирующий сигнал и антенна с углочастотной чувствительностью в угломестной плоскости. На излучение и прием используется одна антенна.

Такая антенна формирует на излучении один узкий в обеих плоскостях луч, положение которого по углу места определяется частотой подведенных к ней колебаний. Поскольку, в течение длительности импульса передатчика tи его частота изменяется от fmin до fmax, то за это время луч антенны последовательно перемещается по углу места от Emin до Emax. В результате сканирования луча цель, находящаяся под некоторым фиксированным углом места Е, облучается лишь частью зондирующего сигнала. Отраженный сигнал представляет собой “вырезку” из зондирующего сигнала. Его длительность определяемая шириной ДНА по углу места и скоростью и равна:

 

,

 

а девиация частоты равна:

 

.

 

Особенностью работы на прием антенны с частотным сканированием по сравнением с антенной с механическим сканированием является то, что она остается неподвижной в плоскости сканирования и способна принимать сигналы одновременно с любого направления на соответствующей этому направлению частоте при любом их запаздывании. Если при применении остронаправленной антенны с механическим сканированием переместить луч в новое направление (путем качания антенны) можно лишь после того как будет принят отраженный сигнал от самой удаленной цели, то в антенне с частотным сканированием передающий луч может перемещаться в новое направление не дожидается прихода эхо-сигналов с предыдущего направления. Можно быстро, в течение tи произвести сканирование передающего луча в заданном секторе Deск, а затем, в течение паузы до следующего зондирующего импульса антенна соберет эхо-сигналы со всех угломестных направлений. В этом смысле можно считать, что сканирует лишь передающий луч, а на прием антенна формирует набор неподвижных парциальных лучей, причем направлению максимума каждого луча соответствует своя частота сигнала.

Достоинством РЛС с частотным сканированием является возможность адаптации обзора в соответствии со складывающейся воздушной и помеховой обстановкой путем изменения параметров зондирующего сигнала. Так, выбором достаточно длинного сигнала с определенной средней частотой и малой девиацией частоты можно производить длительное зондирование определенных угломестных направлений, обеспечив тем самым обнаружение сигналов в шумовых помехах повышенной плотности.

Недостаток РЛС с частотным сканированием - невозможность использования перестройки частоты для защиты от прицельных помех.

 

2.4 Анализ потерь в системе "пространство - РЛС - оператор"

 

Суммарные потери в РЛС вычисляются из выражения:

S = L твч пер + Lприем + L обз + L атм, где

твч пер - потери в передающем тракте РЛС;прием - потери в приемном тракте РЛС;обз - потери при обзоре пространства;атм - потери в атмосфере за счет рассеяния.

а) Потери в тракте передачи зондирующих сигналов

твч пер= Lлп + Lап + Lак + Lвращ сочл + Lант пер

лп - потери в линии передачи. Рассчитывается по длине ЛП и затухания (из справочника), длина - ориентировочно. На практике LЛП» 0,5 дБ.ап - потери в антенном переключателе, Lап = (0,7.1,5) дБ. Для ферритового АП Lап = 07 дБ;ак - потери в антенном коммутаторе, составляют около 0,5 дБ;ант пер - потери в антенне при работе на передачу, учитывает потери за пределами зеркала, потери собственно в антенне и составляет 0,5 дБ.

В итоге Lтвч пер составляет 2,5 дБ.

б) Потери в РЛС на прием.

прием = Lант + Lрф+ Lищ + Lинт + Lтвч + Lогр +Lобз; Lтвч =

=1,16 дБ

рф - потери за счет рассогласования частотной характеристики линейной части приемника;нш - потери за счет накопления шумов;инт - потери интегрирования;ант - потери в антенне;

рф = Lрф1 + Lрф2 + Lрф3

рф1 - потери за счет наличия дополнительных шумов;рф2 - потери за счет не оптимальности АЧХ;рф3 - потери за счет не оптимальности ФЧХ.

Значение Lрф составляет в среднем 3,3 дБ.

Потери за счет накопления дополнительных шумов возникают в устройствах совмещения каналов приема, в накопителе и, как правило, значения находятся в пределах 1 дБ.

Потери интегрирования составляют в сумме 1,5 дБ.

Потери за счет ограничения сигнала равны 3 дБ, если

огр/t2ш = 1;

 

в) потери обзора:

обз = Lуд + Lск;

уд - потери за счет не идеальности диаграмм направленности и составляют 1,6 дБ;ск - потери сканирования, обычно около 1,7 дБ.

Потери в антенне составляют 1дБ, если среднеквадратичное значение фазовой ошибки меньше 0,45 радиан.

Таким образом, проанализировав все составляющие ошибки и учитывая потери оператора, равные примерно 2,3 дБ, получим значение LS, равное 21,33.

 

2.5 Анализ требований к основным системам РЛС

 

2.5.1 Анализ структуры антенно-фидерной системы (АФС) и требования к ней

 

Тип антенны - зеркальная. Антенная система имеет вид “облучатель-отражатель”.

Основная антенна имеет следующие геометрические размеры:

а) горизонтальный размер антенны определяется из соотношения:

 

Lк = Kк ,

 

где l - длина волны;

b0,5р - ширина диаграммы направленности;

Кр = 70 - коэффициент, учитывающий распределение поля.

б) вертикальный размер антенны определяется:

в = Kв ,

 

где e0,5р - ширина ДН в угломестной плоскости;

Кв - коэффициент, учитывающий распределение поля в вертикальной плоскости.

С целью снижения уровня бокового излучения при формировании диаграммы направленности по азимуту облучатель вынесен из раскрыва антенны.

В АФС так же входят антенны дополнительных каналов:

антенны для защиты АШП;

антенны для подавления боковых ответов.

Диаграммы направленности вспомогательных антенн охватывают боковые лепестки основной антенны на прием в азимутальной и угломестной плоскостях.

Известно, что для получения пространственной избирательности АК-антенны дополнительных каналов приема должны иметь различные либо амплитудные, либо фазовые характеристики. Из-за сравнительно низкой направленности этих антенн реализация амплитудных различий представляет собой достаточно сложную задачу. Проще всего реализовать отличия фазовых диаграмм. Для этого достаточно разнести фазовые центры антенн дополнительных каналов приема. Разнос фазовых центров не окажет сильного влияния на достигаемый коэффициент подавления АШП.

 

2.5.2 Анализ требований к передающей системе

Радиопередающее устройство (РПУ) построено по схеме “возбудитель-усилитель мощности”. Эта схема построения РПУ обеспечивает высокую стабильность частоты и не требует создания специальной системы для подстройки частоты. Так как в данной РЛС используется ЛЧМ - сигнал, то передающее устройство и его возбудитель, в частности, реализуют активный метод формирования ЛЧМИ с повышенной стабильностью частоты.

Для вычисления средней мощности передатчика необходимо определить геометрическую площадь антенны. Для АС, в качестве зеркала которой выбран параболический цилиндр геометрическая площадь рассчитывается:

 

Апг = n* Lв * Lг/4 = 116,7 (м2),

 

где Lв, Lг - соответственно вертикальный и горизонтальный размеры антенной системы (АС).

Для расчета средней мощности передатчика уравнение радиолокации запишем в логарифмическом форме:

 

(P_СР0×А_ПГ) _{дБ. Вт. м}²=4 (R) _{дБ. км}- (tз) _{дБ. с}+ (g) _дБ+ (LS) _дБ+ (Кш) _дБ+ (Wз экв) _дБ-73_дБ=62,

 

где R=350 км - максимальная дальность до цели;

=1 м2 - среднее значение ЭПР цели;з = 10 сек. - время однократного обзора цели;

g = 15 дБ - коэффициент различимости;S=21,33дБ - коэффициент потерь;

Кш = 3,5 - коэффициент шума;

Wз экв = 1,57 - значение телесного угла.

Переведя соответствующие величины в децибелы и, подставив их в выражения, получим результат, равный 3.5 кВт.

Для расчета длительности импульса необходимо определить максимальную длительность сжатого импульса. Она рассчитывается из условия обеспечения разрешающей способности по дальности.

 

tи= 2d2/с = 1,3 [мкс];

d2=200 [м].

 

Расчет временных параметров зондирующего сигнала будем производить из условия, что длительность сжатого импульса tи сж=1.3 [мкс].

Исходя из этого, ширина спектра равна:

 

Dfизл = 1/tи сж = 1.5 [Мгц].

 

Импульсная мощность передающего устройства, исходя из всех условий, равна 1,8 Мвт. Несущая чистота имеет значение, равное 3 Ггц.

 

2.5.3 Анализ требований к приемной системе

Приемная система состоит из:

усилителя высокой частоты;

смесителя 1;

предварительного усилителя промежуточной частоты;

смесителя 2;

усилителя промежуточной частоты;

дисперсионной ультразвуковой линии задержки;

корректирующего фильтра;

детектора;

видео усилителя.

Приемная система должна обеспечить защиту от активных и пассивных помех, выделения и основного усиления полезного сигнала, определение азимута и дальности до цели. Тип приема устройства - супергетеродинный приемник с коэффициентом шума 3,5.

Динамический диапазон должен обеспечивать обработку сигнала без потерь.

 

2.5.4 Анализ требований к аппаратуре защиты от активных шумовых помех

Существует пять методов защиты РЛС от АШП:

метод силовой борьбы;

метод пространственной селекции;

метод поляризационной селекции;

метод частотной селекции;

метод, основанный на уменьшении уровня боковых лепестков.

В случае само прикрытия цели дальности ее обнаружения без применения аппаратуры защиты от АШП определяется

 

,

 

Для компенсации помехи, принимаемой по основному лепестку ДНА, необходимо устройство компенсации, обеспечивающее требуемый коэффициент подавления, равный 38 дБ.

Вывод: Для защиты РЛС от АШП, воздействующей с направления основного лепестка ДНА необходимо прибегнуть к поляризационной селекции в сочетании с методом силовой борьбы.

В случае внешнего прикрытия цели дальность действия РЛС в условиях АШП без аппаратуры защиты коэффициент подавления помехи должен быть равным 22 дБ при использовании пространственной селекции.

 

2.5.5 Анализ требований к системе СДЦ

Цель должна обнаруживаться с Робн = 0,6 при РЛТ = 10-4 на расстоянии RУПП, равным 250 км:

а) на фоне дипольных отражателей при n100 = 2 пачки,В = 10 м/сек, Vr cл 1 = 1000 м/сек;

б) на фоне местных предметов в виде леса при VВ = 5 м/сек;

в) на фоне метеообразований при средней интенсивности осадков и

В = 10 м/сек.

 

Исходя, из требований к помехозащищенности РЛС от пассивных помех в качестве элементов системы СДЦ необходимо применить:

когерентно-импульсное устройство (КИУ), обеспечивающего когерентность импульсов в пачке и перенос их спектра в область рабочих частот режекторного фильтра (РФ).

В данной РЛС режекторный фильтр работает на видеочастоте;

РФ - для подавления сигнала пассивных помех путем режекции их спектральных составляющих. В качестве РФ выбран трехканальный цифровой череспериодный автокомпенсатор (ЧПАК).

Особенности ЧПАК являются:

достаточно высокий коэффициент подавления;

нет необходимости в применении схемы компенсации скорости ветра;

сравнительно простая техническая реализация на цифровой элементной базе.

Коэффициент улучшения рассчитывается по формуле:

 

 

где КП АЦП - предельно допустимый коэффициент улучшения при заданной разрядности АЦП. КПП = 6×N=42 дБ при восьмиразрядной АЦП.

КП пред предельно достижимый КПП при фиксированном FП;

КП реал - предельно достижимый КУ при влиянии i-той нестабильности аппаратуры на работу системы СДЦ.

Величина КУ пред для дипольных отражателей должна быть равна 36 дБ, для метеообразований и местных предметов 28 дБ.

Вывод: реализуемый коэффициент улучшения для трехканального ЧПАК должен быть равен 36 дБ. Для этого необходимо передающее устройство строить по схеме задающий генератор - усилитель мощности (ЗГ-УМ), потому что требуется высокая стабильность частоты, которую можно обеспечить только при кварцевой стабилизации частоты задающего генератора.

 

2.5.6 Анализ требований к средствам отображения информации

Состав радиолокационной информации (РЛИ) определяется, главным образом, требованиями потребителей информации и решаемыми ими задачами. Для обеспечения беспоискового захвата цели станциями наведения ракет в состав РЛИ должны входить данные о пространственных координатах цели. При решении задач наведения авиации необходима информация о пространственных координатах как цели, так и истребителя.

В общем случае РЛИ, кроме пространственных координат, должна содержать:

государственную и индивидуальную принадлежность;

характеристику цели (одиночная или групповая) и, по возможности, количественный состав групповой цели;

виды создаваемых помех и их интенсивность.

Количество индикаторов должно обеспечивать выдачу всех вышеперечисленных видов информации. В частности, для обеспечения боевой работы подразделения РТВ считаю необходимым применение в РЛС трех индикаторов кругового обзора (ИКО) и в комплекте иметь 5-6 выносных ИКО для обеспечения боевой работы подразделений и частей ЗРВ ПВО и АПВО.

Кроме ИКО предлагаю применить световые табло для отображения номера цели, принадлежности, азимута, дальности, высоты, курса цели, времени встречи между двумя воздушными объектами и расстояние между ними.

 

Структурная схема РЛС

РЛС обеспечивает обнаружение и выдачу информации о дальности, азимуте и высоте целей, а также автоматическое обнаружение и выдачу информации об азимуте и угле места постановщиков АШП.

Выбрал смешанный обзор с одновременным обзором в угломестной плоскости и последовательным в азимутальной. Обзор пространства в угломестной плоскости за счет использования частотного качания луча.

Выбран импульсный метод радиолокации так как он является более простым в реализации и обладает хорошими характеристиками. Зная угол места цели, наклонную дальность и учитывая поправку на рефракцию, возникающую при распространении радиоволн в пространстве и поправку на кривизну земли вычисляем значение высоты цели. Значение высоты вычисляется процессором. В основу алгоритма процессор вычисления положено уравнения для определения высоты цели:

 

З экв= 8500 км - эквивалентный радиус Земли.

С целью снижения уровня бокового излучения при формировании ДН по азимуту облучатель вынесен из раскрыва антенны. Для каналов защиты от АШП и подавлению приема по боковым лепесткам используются дополнительные антенны. Всего используется две вспомогательных антенны для каналов защиты от АШП (АКП) и две вспомогательных антенны для подавления приема по боковым лепесткам (ПБЛ). ДН вспомогательных антенн охватывают боковые лепестки основной антенны на прием в азимут дальних и угломестных секторах.

Устройство обработки сигналов осуществляет раздельную обработку сигналов и помех в каждом из приемных каналов РЛС. Обработка производится в аналоговой и цифровой форме. Автоматическая обработка информации, обнаружение и измерение координат целей и постановщиков АШП, вычисление высоты осуществляется с помощью аппаратуры цифрового обнаружения и измерения, данные от которой поступают в спец вычислитель, который производит вычисление высоты.

Сформулированная в РЛС РЛИ поступает к потребителям через различные каналы связи: в кодограммах через АПД и в аналоговом виде по кабельным линиям связи.

Высокочастотные (ВЧ) тракты приемных каналов предназначены для передачи, усиления и преобразования сигналов высокой частоты, принятых основной системой, двумя антеннами АКП, двумя антеннами ПБЛ.

ВЧ тракт основного канала предназначен для усиления, переноса на промежуточную частоту и передачи сигналов, принятых основной антенной.

Приемный тракт основного канала состоит:

из СВЧ - выключателя;

блока преселекторов;

СВЧ - модуля.

СВЧ-выключатель, блок-преселекторов, СВЧ модуль размещены в блоке высокой частоты (БВЧ). СВЧ выключатель предназначен для защиты транзисторных усилителей приемных каналов во время прохождения зондирующего импульса на передачу, а также для отключения приемных каналов от антенной системы во время прохождения контрольного импульса и измерения коэффициента шума.

Блок селекторов предназначен для формирования рабочей полосы частот приемного канала, защиты СВЧ-модуля и внеполосных излучений. Он настроен на рабочую частоту СВЧ-тракта.

СВЧ-модуль предназначен для усиления и двукратного преобразования СВЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты.

Состоит из:

защитного устройства;

малошумящего усилителя;

фильтра;

направленного ответвителя;

смесителя:

усилителя промежуточной частоты.

ВЧ тракты вспомогательных каналов предназначены для усиления и преобразования в промежуточную частоту сигналов, принятых антеннами АКП и ПБЛ. В ВЧ-тракты вспомогательных каналов входят:

тракта АКП;

тракта ПБЛ.

Структурная схема трактов и назначение элементов в них одинаковы и идентична приемному тракту основного канала, описанного выше.

Для борьбы с АШП, воздействующими по основному лепестку ДН используем поляризационный селектор сигналов в сочетании с методом силовой борьбы. Для функционирования поляризационного селектора дополнительно вводится канал, поляризация которого ортогональна по отношению к поляризации основного канала. При включении поляризационного селектора (КП=15 дБ) обеспечивается обнаружение АШП с NАП= 200 Вт/МГц на дальности 62 км при средней мощности передатчика 6,1 кВт.

Для борьбы с АШП, воздействующими по боковым лепесткам ДН основной антенны, в РЛС применен метод пространственной селекции сигналов. Защита осуществляется в каждом приемном канале с применением корреляционных АК АШП. В РЛС используется четырехканальный АК АШП, что расширяет возможности при работе в сложной помеховой обстановке. Использование четырехканального АК требует применения двух вспомогательных антенн АКП1, АКП2. ДН антенн перекрывают боковые лепестки ДН основной антенны.

Защита от ПП осуществляется с помощью череспериодного автокомпенсатора с обеспечением коэффициента улучшения сигналов, отраженных от дипольных отражений 36 дБ, отраженных от метеообразований и местных предметов 42 дБ.

Аппаратура защиты от импульсных помех (ИП) обеспечивает подавление несинхронных, ответно-импульсных и частотно-модулированных помех.

Аппаратура подавления боковых лепестков обрабатывает сигналы, поступающие с блока защиты от ПП и четырех вспомогательных каналов. Если амплитуда сигнала во вспомогательных каналах больше амплитуды сигнала в основном канале, то вырабатывается “бланк ПБЛ”. Он поступает на блок нормирования и обнаружения для бланкирования сигналов в основном канале. Если амплитуда сигналов во вспомогательных каналах меньше амплитуды сигнала в основном канале, то “бланк ПБЛ" не вырабатывается.

Пеленгационный канал предназначен для обнаружения и определения азимутов и углов места постановщиков АШП, излучающих в диапазоне рабочих частот.

В основу принципа работы пеленгационного канала положены методы:

) измерение азимута постановщиков АШП осуществляется по методу амплитудного максимума ДН в азимутальной плоскости с накоплением и обработкой азимутальной пачки сигналов в цифровом виде;

) измерение угла места осуществляется методом вычитания “центра тяжести" пачки в приемных каналах;

) для защиты от приема излучения по боковым лепесткам ДН применяется метод деления сигнала с приемной антенны основного канала на сигнал вспомогательного канала.

Для получения информации о местоположении источников АШП в РЛС используется два канала: основной и канал СУЛП. Основной пеленгационный канал формируется приемо-передающей антенной основного канала. Сигналы с антенны через высокочастотные тракты поступают на канальные СВЧ-переключатели, которые в каждом периоде зондирования осуществляют поочередное подключение приемных каналов к основному пеленгационному каналу.

Сигналы системы устранения ложных пеленгов (СУЛП) формируются антеннами ПБЛ и АКП. Сигналы от них поступают на высокочастотный коммутатор, который осуществляет в каждом периоде зондирования поочередное подключение приемных каналов, трех каналов ПБЛ и двух каналов АКП к каналу СУЛП. Сигналы основного пеленгационного канала и канала СУЛП поступают в блок обработки сигналов пеленгационного канала.

В нем осуществляется:

вычисление максимальной мощности помехового сигнала в основных пеленгационных каналах;

вычисление максимальной мощности помехового сигнала во всех приемных каналах ПБЛ1; ПБЛ2; ПБЛ3; АКП1; АКП2;

вычисление азимута постановщика АШП по алгоритму;

) если максимальная амплитуда сигнала основного пеленгационного канала больше максимальной амплитуды сигнала канала СУЛП, что свидетельствует о том, что прием сигнала идет по основному лепестку ДН основной антенны, то происходит вычисление азимута постановщика АШП;

) если максимальная амплитуда сигнала канала СУЛП больше амплитуды сигнала основного пеленгационного канала, что свидетельствует о том, что прием происходит по боковым лепесткам ДН основной антенны, то вычисления азимута постановщика АШП не происходит.

Вычисленные значения азимута и угла места поступают на блок обнаружения и измерения координат.