Проектирование устройства автоматической компенсации доплеровской частоты для СДЦ РЛС 5Н84А

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Проектирование устройства автоматической компенсации доплеровской частоты для СДЦ РЛС 5Н84А ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОЙ РАБОТЕ.

Исполнитель: курсант Кирей С.Ю.

Руководитель: начальник цикла — профессор кафедры № 51

подполковник Лысый А.Н.

Рецензент: старший преподаватель кафедры № 52

подполковник Пархалин В.В.

2008 г

ЗАДАНИЕ

НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ Курсанту 551 учебной группы, Кирею Сергею Юрьевичу

1 Тема: Проектирование устройства автоматической компенсации доплеровской частоты для СДЦ РЛС 5Н84А.

(утверждена приказом начальника академии № 883 от «27» декабря 2006 года)

2 Исходные данные к работе (проекту):

Известно, что практически все РЛС оснащаются комплексом средств защиты от помех, как активных, так и пассивных. Задачу компенсации пассивных помех в РЛС выполняют системы селекции движущихся целей (СДЦ), обеспечивающие выделение сигналов от подвижных объектов на фоне всякого рода мешающих отражений (МО). РЛС 5Н84А имеет в своем составе систему СДЦ, основанную на применении когерентно-импульсного метода компенсации МО. Данная система содержит когерентно-импульсное устройство (КИУ) и аппаратуру череспериодной компенсации (ЧПК). Такое построение системы обеспечивает достаточно высокий коэффициент подавления сигналов от неподвижных местных предметов и подстилающей поверхности. Однако, при воздействии сигналов, отраженных от облаков дипольных отражателей, перемещающихся под действием ветра, возникает априорная неопределенность относительно их скорости. В связи с этим в состав КИУ введена схема компенсации действия ветра (СКДВ), работающая на принципе двойного преобразования частоты и управляемая сигналами синусно-косинусного механизма. Существенным недостатком подобного построения является то, что компенсация доплеровской частоты происходит, по сути, вручную, при этом оператору необходимо периодически останавливать вращение антенны, из-за чего снижается темп выдачи информации, что недопустимо в условиях современных скоротечных боевых действиях.

В связи с вышеизложенным предлагается произвести модернизацию СДЦ, в частности разработать СКДВ, осуществляющую автоматическую адаптивную компенсацию доплеровской частоты сигналов, отраженных от облаков дипольных отражателей.

3 Содержание пояснительной записки:

Тактико-техническое обоснование необходимости проектирования автоматического компенсатора доплеровской частоты.

Анализ существующих схем построения систем компенсации доплеровской частоты, применяемых в РЛС РТВ.

Разработка структурной, функциональной схем и расчет элементов принципиальной схемы автоматической компенсации доплеровской частоты.

Требования, предъявляемые к системе автоматической компенсации доплеровской частоты;

Разработка структурной схемы системы автоматической компенсации доплеровской частоты;

Выбор элементов и расчет параметров принципиальной схемы;

Моделирование устройства анализа доплеровской частоты.

Заключение

.

4 Перечень обязательного графического материала:

Принципиальная схема подканала анализа доплеровской частоты.

5 Основная литература:

Мальцев Л. С. Вооружённые силы Республики Беларусь. История и современность. — Мн.: Асобны Дах 2003 г.

Мисурагин И. А. Операция «Свобода Ирака». — Мн.: ВАРБ 2003 г.

Гейстер С. Р. Системное проектирование и расчёт радиолокаторов ПВО. Часть 1. Мн.: ВАРБ 1998 г.

Теоретические основы радиолокации. Под редакцией В. Е. Дулевича. — Москва: Сов. радио, 1978.

Радиотехнические системы. Под редакцией Ю. М. Казаринова. — Москва: «Высшая школа» 1990.

Радиотехнические системы. В. А. Чердынцев. — Минск: «Высшая школа» 1988.

Основы построения РЛС РТВ. Под редакцией Б. Ф. Бондаренко. — КВИРТУ ПВО.

Комплект штатной документации на РЛС 5Н84А.

6 Консультанты (с указанием раздела) по первому разделу: п-к Сергейчик Д. М.

по второму и третьему разделам: п/п-к Шарамет А. В.

по четвертому разделу: п/п-к Гарменович Н. В.

7 Дата выдачи задания «30» декабря 2007 года.

8 Сроки представления:

— плана работы руководителю «19» марта 2007 года.

— законченной работы (проекта, задачи):

1) руководителю «24» мая 2008 года.

2) начальнику кафедры на допуск к защите «26» мая 2008 года.

3) рецензенту «26» мая 2008 года Руководитель: начальник цикла кафедры № 51

подполковник А. Н. Лысый Задание принял к исполнению: рядовой С.Ю. Кирей

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Тактико-техническое обоснование необходимости проектирования автоматического компенсатора доплеровской частоты

1.1 Краткие сведения о дипольных помехах и связанные с ними особенности

1.2 Обоснование необходимости создания устройства автоматической компенсации частоты Доплера

2. Анализ существующих схем компенсации доплеровской частоты, применяемых в РЛС РТВ

2.1 Применение схем компенсации действия ветра

2.1.1 Введение частотной поправки Доплера непосредственным изменением частоты когерентного гетеродина

2.1.2 Введение частотной поправки Доплера путем «смешивания» частот когерентного гетеродина и низкочастотного генератора

2.1.3 Введение частотной поправки Доплера при помощи фазовой модуляции когерентного напряжения низкой частотой

2.1.4 Введение поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина путем двойного «смешивания» частот

2.2 Применение схем квадратурных корреляционных автокомпенсаторов

2.3 Применение схем параллельного анализа доплеровской частоты

2.4 Особенности реализации когерентно-импульсного метода в РЛС 5Н84А

3. Разработка структурной, функциональной схем и расчёт элементов принципиальной схемы автоматической компенсации доплеровской частоты

3.1 Требования, предъявляемые к системе автоматической компенсации доплеровской частоты

3.2 Разработка структурной схемы системы автоматической компенсации доплеровской частоты

3.3 Выбор элементов и расчёт параметров принципиальной схемы

3.4 Моделирование устройства анализа доплеровской частоты

Заключение

частотная поправка помеха компенсация

Введение

Широкое применение радиолокационной техники в военных целях (воздушная и наземная разведки, навигация, вывод на траекторию ракет различного назначения) вызвало в последние годы бурное развитие средств противодействия. В связи с этим в военную теорию прочно вошёл термин «радиолокационная война».

Постоянно повышается значимость подавления радиолокационных систем при прорыве противовоздушной обороны. Можно отметить, что в настоящее время ни одна военно-воздушная операция немыслима без широкого использования средств постановки активных и пассивных помех радиолокационным станциям (РЛС) различного целевого назначения. В США, например, сконструирован и принят на вооружение полный комплект аппаратуры радиопротиводействия, который размещается на стратегических бомбардировщиках и других видах летательных аппаратов. На развитие средств радиопротиводействия США ежегодно тратят сотни миллионов долларов.

В современных условиях противорадиолокация сама стала средством, вызывающим непрерывное совершенствование аппаратуры радиолокационных станций с целью увеличения её помехозащищённости.

Любая современная радиолокационная станция имеет в своём составе аппаратуру защиты от воздействия активных и пассивных помех, причём доля этой аппаратуры в РЛС непрерывно увеличивается с одновременным принципиальным усложнением её. В связи с этим актуален вопрос о помехозащищённости тех радиолокационных станций, которые создавались в 70-е годы и эффективность работы которых в современной помеховой обстановке будет существенно снижаться.

1.Тактико-техническое обоснование необходимости проектирования автоматического компенсатора доплеровской частоты На современном этапе развития форм и способов боевого применения сил и средств воздушного нападения постоянно повышается значимость подавления радиолокационных станций радиотехнических войск при прорыве противовоздушной обороны. Создание противником как активных, так и пассивных помех радиоэлектронным средствам и системам, обеспечивающим разведку, сбор информации о воздушной обстановке, делает уязвимой систему противовоздушной обороны. Особое внимание в мероприятиях по радиоэлектронному подавлению радиолокационных станций противником всегда уделяется применению пассивных помех, а именно дипольных радиоотражателей (ДРО).

1.1 Краткие сведения о дипольных помехах и связанные с ними особенности ДРО представляют собой тонкие пассивные вибраторы, изготовленные из металлизированной бумаги, металлизированного стеклянного волокна, алюминиевой фольги, нейлонового волокна, покрытого серебром, и других материалов. Их длину и толщину выбирают такими, чтобы обеспечить наиболее эффективное рассеяние радиоволн при меньших размерах.

Максимальное значение ЭПР имеют ДРО с длиной, близкой к половине длины волны подавляемой РЛС, при которой наблюдается резонансное рассеяние (рисунок 1.1). Для получения резонанса тока диполь укорачивают до значения, несколько меньшего половины длины радиоволны. Степень укорочения зависит от поперечных размеров ДРО. Так как для уменьшения массы и объема пачек толщину ДРО делают как можно меньше, то укорочение оказывается незначительным. Поперечные размеры ДРО, выбранные из условия обеспечений максимальной удельной ЭПР, составляют

десятые, а иногда и сотые доли миллиметра. На практике длина тонких ДРО lдро равна 0,47 лрлс. При увеличении длины ДРО их эффективная поверхность рассеивания изменяется волнообразно с максимумами на расстояниях, примерно равных л/2, возрастая при последующих резонансах (рисунок 1.2). Однако эффективная поверхность рассеивания возрастает с меньшей интенсивностью по сравнению с увеличением длины лент. Длинные ДРО позволяют расширить диапазонность пассивных радиопомех. В США

разработаны длинные ленты, изготавливаемые из металлических и металлизированных полосок (волокон).

Длинные ДРО применяются главным образом для создания помех РЛС в длинноволновой части дециметрового и в метровом диапазонах радиоволн. Эффективность пассивных помех возрастает при использовании ДРО в виде спирали, рассеиваемых так, чтобы образовать облако в виде паутины из многих лент.

В процессе создания пассивных помех РЛС с самолетов, вертолетов или ракет в атмосферу выбрасывается большое количество ДРО, которые рассеиваются турбулентными потоками воздуха, образуя облако.

Через некоторое время после выбрасывания, когда влияние спутных струй самолета уменьшается, ДРО продолжают рассеиваться вследствие вихревого движения отдельных участков атмосферы и размеры облака растут. Геометрический центр облака смещается под действием ветра относительно точки выбрасывания и опускается вниз. Скорость снижения зависит от массы, размеров и формы ДРО, плотности и состояния атмосферы. В спокойной атмосфере средняя скорость снижения тонких отражателей составляет 60−180 м/мин на больших высотах и 25—70 м/мин — на малых. В горизонтальном направлении ДРО перемещаются примерно со скоростью ветра.

В большинстве случаев ДРО, выброшенные с самолета, рассеиваются в горизонтальной плоскости быстрее, чем в вертикальной, поэтому облако вытягивается по горизонтали в направлении ветра. Иногда они могут перемещаться вверх восходящими потоками воздуха, находиться во взвешенном состоянии и создавать пассивные радиопомехи в течение нескольких часов.

Пассивные помехи в виде облаков ДРО позволяют скрыть от радиолокационного обнаружения различную военную технику. При выбрасывании большого количества ДРО на экране индикатора кругового обзора образуется засвеченная полоса, вытянутая в направлении ветра, маскирующая отметки целей. Кроме того, при определенных условиях с помощью дипольных радиоотражателей можно образовать ложные цели, вынуждающие операторов РЛС затрачивать время на анализ отметок и выявление действительных целей среди множества ложных.

В пространстве ДРО ориентируются произвольно в связи с их различной аэродинамикой и влиянием турбулентности атмосферы. Одни из них могут снижаться в горизонтальном положении, другие — в вертикальном, третьи — в наклонном. Поэтому амплитуда отраженного сигнала отдельными ДРО и их облаком меняется по случайному закону. Суммарный сигнал, рассеянный множеством, имеет более широкий частотный спектр по сравнению с ДРО сигналом, рассеянным одиночным ДРО. Расширение спектра сигнала вызывается появлением доплеровских составляющих, зависящих от скорости ветра, турбулентности атмосферы, разброса скоростей движения и частот вращения ДРО. Поскольку метеорологические параметры атмосферы изменяются с высотой, то ширина спектра сигналов, рассеянных облаком ДРО, также не остается постоянной. По этим же причинам спектр сигнала, рассеянного облаком ДРО, отличается от спектра облучающих его сигналов на величину доплеровского смещения частоты, порождаемого движением облака относительно РЛС с различными скоростями.

Облака ДРО рассеивают энергию приходящих сигналов в направлении к подавляемой РЛС, наделяя ее хаотической модуляцией. Спектр рассеянных сигналов расширяется с возрастанием скорости ветра и уровней турбулентности атмосферы. Например, его ширина в десятисантиметровом диапазоне радиоволн не превышает нескольких герц и возрастает обратно пропорционально лрлс.

Эффективная поверхность рассеивания (ЭПР) облака ДРО, размеры которого не превышают импульсный разрешающий объем РЛС, равна произведению ЭПР отдельных ДРО (уДРО,) находящихся в облаке на их общее количество (nдро):

(1.1)

ЭПР отдельного полуволнового ДРО (уДРО,) при линейной поляризации поля и при совпадении его оси с вектором напряженности электрического поля Е будет максимальна и равна:

(1.2)

Если ДРО ориентирован перпендикулярно к вектору Е, то уДРО = 0. Вследствие турбулентности атмосферы и различных аэродинамических свойств ДРО, находящиеся в облаке, ориентируются произвольно. Поэтому при расчетах их ЭПР полагается равной какому-то среднему значению (уДРО ср.):

(1.3)

Из формулы 1.3 видно, что с уменьшением длины волны ЭПР полуволнового ДРО резко снижается и, следовательно, общее их количество в облаке с заданной ЭПР должно увеличиваться. Обычно ДРО комплектуются в пачки или пакеты.

Наиболее подвержены помехам от ДРО те РЛС, частота которых неизменна (или изменяется в пределах не более ±10% от рабочей). Одновременное подавление радиоэлектронных средств, работающих на различных частотах, возможно при применении отражателей различной длины. Необходимое количество ДРО, укладываемых в пачку, имитирующую цель с ЭПР, равной уц, можно вычислить по формуле:

(1.4)

Как видно из выражения 1.4, для имитации по ЭПР целей типа самолет (ракета) на экране РЛС, работающей в метровом диапазоне волн, достаточно иметь в пачке десятки ДРО. В сантиметровом диапазоне их количество возрастает до нескольких десятков и даже сотен тысяч штук. Например, для имитации цели от наблюдения РЛС, работающей на длине волны 50 см, потребуется не менее 235 ДРО.

Для создания пассивных помех на нескольких частотах в пачки укладываются ДРО различной длины. С этой же целью могут применяться несколько типов пачек, каждая из которых предназначена для создания помех на одной частоте. Пачки с ДРО одинаковой длины иногда называют прицельными по частоте.

Еще одной отличительной особенностью пассивных помех является то, что их можно создавать в широком диапазоне частот без предварительной детальной информации о параметрах подавляемых радиоэлектронных средств. При правильном использовании они могут эффективно действовать одновременно против многих радиоэлектронных средств. Пачки ДРО разбрасываются с помощью специальных автоматов, авиационных бомб, наземных и самолетных ракет, артиллерийских снарядов или мин. Автоматы обычно размещаются в хвостовом отсеке самолета (или устанавливаются на внешних подвесках в контейнерах) и управляются дистанционно. В зависимости от разрешающей способности РЛС пачки выбрасываются автоматом с темпом от единиц до нескольких десятков в минуту.

В основном применяются три типа самолетных автоматов — с электромеханическим, пиротехническим и пневматическим принципами действия. Электромеханическое устройство состоит из выталкивающего механизма и пяти каналов, через которые выбрасываются средства радиоэлектронного подавления одноразового использования. В пиротехнических установках пачки выбрасываются газами, полученными при сгорании пиротехнической смеси. Пневматический автомат выбрасывает пачки ДРО из магазина сжатым азотом. В зависимости от типа автоматов выброшенные ими ДРО формируют облако за время от долей до нескольких секунд.

В целом, учитывая отмеченные особенности пассивных помех, а также принципов работы устройств их постановки среди основных факторов, влияющих на эффективность воздействия пассивных радиопомех на РЛС, можно выделить следующие:

во-первых, ЭПР одного отражателя, пачки и образуемых ими облаков и полос;

во-вторых, способы рассеивания и скорость падения ДРО, эффект их слипания и перемешивания, время развития облака или полосы, влияние среды на их эффективность (ветер, влажность, рефракция);

в-третьих, объемная плотность, массогабаритные характеристики и поляризационные свойства ДРО в облаке (полосе);

в-четвертых, интенсивность рассеяния электромагнитной энергии и экранирующий эффект облака (полосы);

в-пятых, взаимное перемещение ДРО и защищаемых ими объектов.

Очевидно, что практически все указанные факторы находятся в зависимости от условий внешней среды. При этом главным условием является скорость воздушных потоков, направления их перемещений, характер их изменения. В данном случае априорная неопределенность относительно параметров движения воздушных масс создает серьезные проблемы для аппаратуры помехозащиты подавляемой РЛС, поскольку фазовые различия сигналов от целей и от облаков ДРО выражены слабо и находятся в постоянном изменении.

Таким образом, главными особенностями воздействия описанных выше пассивных помех на РЛС являются постоянное изменение амплитуды и фазы отраженных помеховых сигналов и перемещение их источников. Указанные особенности носят случайный характер и требуют принятия соответствующих мер в построении функционировании аппаратуры защиты РЛС.

1.2 Обоснование необходимости создания устройства автоматической компенсации частоты Доплера Говоря об особенностях механизма воздействия пассивных помех на аппаратуру РЛС нельзя не отметить, что тема эта весьма актуальна, поскольку в настоящее время не существует ни одного вооружённого конфликта с участием авиации, в котором не было бы отмечено применение пассивных помех в виде ДРО. История их применения насчитывает не один десяток лет.

Начало применению пассивных помех положил август 1943 года. В этом году отмечено применение помех германской авиацией при налётах на объекты Великобритании и на корабли у берегов Нормандии. Пассивные помехи создавались экипажами самолётов выбрасыванием вручную пачек станиолевых лент с интервалом 5 — 10 секунд, в результате чего РЛС системы противовоздушной обороны не могли наводить самолёты истребительной авиации на воздушные цели. Для этого периода характерно разовое применение пассивных помех.

Война в Корее в 1951 — 1953 гг. также не стала исключением для применения противником пассивных помех. Тактика ведения радиоэлектронной борьбы американской авиацией незначительно, но отличалась от применявшейся американской и английской авиацией во второй мировой войне. При массированных налётах американской авиации на объекты Корейской Народной Демократической Республики впереди ударных групп или в составе групп обеспечения шли специальные самолёты — постановщики помех В-29 или В-26, создававшие пассивные помехи РЛС дальнего обнаружения. Пассивные радиопомехи создавались выбрасыванием пачек ДРО, содержащих по 10−12 металлизированных лент длиной 25−30 метров и несколько сот полуволновых отрезков фольги. В массированных налётах американская авиация часто создавала высокие плотности пассивных помех, которые исключали возможность радиолокационного наблюдения воздушных целей на дальностях 30−40 км и тем самым затрудняли работу операторов. Основными причинами подавления РЛС подобного рода помехами явились слабая обученность расчётов, неумение их действовать в условиях помеховой обстановки, а также низкая помехозащищённость РЛС ввиду отсутствия систем, осуществляющих автоматическую компенсацию ДРО, перемещающихся под действием ветра.

Боевые действия во Вьетнаме, длившиеся с августа 1964 года — по февраль 1973 года, в зависимости от интенсивности применения помех можно, условно, разделить на три этапа. На первом этапе войны, несмотря на мощное оборудование средствами радиоэлектронного подавления, в том числе и автоматами выброса ДРО, самолёты РЭБ не всегда с достаточной эффективностью подавляли РЛС. В связи с этим американцы вынуждены были в состав каждой ударной группы включить по одному — два самолёта со средствами радиопомех, установленными вместо боевой нагрузки. Но и они не смогли защитить от поражения большие группы самолётов. Поэтому впоследствии ударные группы уменьшились до 6 самолётов, один из которых вместо авиабомб нёс контейнерные средства помех, а также был оснащён аппаратурой выброса ДРО. Но как показал опыт боевых действий, средства, установленные на одном самолёте, не обеспечивали скрытие радиопомехами даже небольших ударных групп. В качестве выхода из создавшегося положения было принято решение установить средства создания радиоэлектронных помех на каждый ударный самолёт тактической авиации. Часть истребителей-бомбардировщиков переоборудовались в самолёты радиоэлектронной борьбы установкой на них станций помех, а также автоматов выброса ДРО для подавления РЛС. По мере оснащения самолётов средствами радиоэлектронного подавления совершенствовалась и тактика их боевого применения. Самолёты, оборудованные средствами создания активных помех, стали совершать полёты в плотном строю, что позволило защищать ударные группы авиации. Интенсивнее начали создаваться пассивные помехи для подавления РЛС обнаружения. Для этого одновременно выбрасывались одна-две пачки ДРО. Группы самолётов тактической авиации создавали пассивные помехи в полосе шириной до 3 километров и глубиной в несколько десятков километров.

На втором этапе войны во Вьетнаме американские самолёты применяли более совершенные средства создания помех. Станциями помех и автоматами выброса ДРО были оборудованы почти все ударные самолёты. В период нанесения ударов авиация, обычно, совершала полёты на малых высотах с огибанием рельефа местности. Перед объектом самолёты ударной группы набирали высоту и наносили удары, одновременно создавая активные и пассивные помехи РЛС. Тем самым обеспечивали засвет большей части индикатора кругового обзора, существенно снижая вероятность обнаружения своих самолётов.

На третьем этапе войны, стараясь нарастить мощность авиационных ударов, американские агрессоры задействовали для нанесения ударов по объектам Вьетнама стратегические бомбардировщики В-52, имеющих на своём борту автоматы выброса и около 1000 пачек ДРО. Обычно за 10−15 минут до подхода бомбардировщиков В-52 к объекту, самолёты обеспечивающих групп сбрасывали большое количество ДРО, и тем самым обеспечили успешное выполнение поставленной задачи. Таким образом эшелонированное применение помех, грамотное использование условий внешней среды и оснащённость автоматами выброса ДРО самолётов американской авиации повлияло на то, что расчёты РЛС не смогли обеспечить выдачу информации о воздушных целях с требуемым качеством.

Не остаётся в стороне от применения пассивных помех и вооружённый конфликт, произошедший в 1986 году в Ливии. Ударную авиацию поддерживали две группы РЭБ, оборудованные аппаратурой постановки помех, а также автоматами выброса ДРО. Во взаимодействии с самолётами РЭБ действовали палубные штурмовики и истребители, вооружённые противорадиолокационными ракетами.

Удар наносился в определённой последовательности. При приближении к Ливии самолёты снижались до высоты 50−60 метров и развёртывались в боевой порядок. За несколько минут до удара самолёты РЭБ начинали создавать пассивные помехи РЛС дальнего обнаружения, а палубные штурмовики и истребители производили по ним пуск ракет. Постоянно создаваемые пассивные помехи не позволили средствам радиолокации производить обнаружение самолетов ударной группы и обеспечить, тем самым требуемые рубежи выдачи информации. Вследствие этого из тридцати нападавших самолётов был сбит только один.

Таким образом, из анализа вооружённых конфликтов во Вьетнаме, в Ливане, Корее, Ливии видно, что радиоэлектронное подавление пассивными помехами стало неотъемлемой составной частью воздушных операций, проводимых военно-воздушными силами при прорыве системы ПВО и распространяется на все виды средств радиолокации. Опыт их применения свидетельствует об определённой тенденции (рис. 1.3) увеличения интенсивности D применения пассивных помех с каждым последующим вооружённым конфликтом. В данном случае под интенсивностью D следует понимать отношение числа самолётов оборудованными автоматами выброса ДРО (Nдро) к общему числу самолётов (N), участвовавших в конфликтах:

; (1.5)

Тактика применения пассивных помех в каждом вооружённом конфликте совершенствовалась с учётом опыта приобретенного в предыдущих войнах. Также совершенствовалась и аппаратура постановки пассивных помех, а именно возможности автоматов по количеству выбрасываемых ДРО и эффективности их воздействия на РЛС. Их применение обеспечивало засвет значительной части индикатора кругового обзора, что позволяло скрыть от радиолокационного обнаружения воздушные цели различного назначения.

С высоким качеством применения, в первую очередь, пассивными помехами подавлялись РЛС дежурного режима, которые должны были обеспечивать дальнее обнаружение воздушных целей и своевременное оповещение войск о готовящемся ударе с воздуха.

Основным радиолокационным средством дальнего обнаружения целей является РЛС 5Н84А. Очевидно, что аппаратура помехозащиты станции в современных условиях войны, станет уязвимым местом в связи с тем, что компенсация пассивных помех происходит, по сути, вручную. При этом оператору необходимо периодически останавливать вращение массивной и инерционной антенны и настраивать систему селекции движущихся целей на подавление помех (подстраивать частоту фазирования когерентного гетеродина). Это в свою очередь уменьшает темп выдачи информации, увеличивает её запаздывание и уменьшает её точностные характеристики.

Становится очевидной объективная необходимость преобразовать процесс ручной настройки системы СДЦ на подавление пассивных помех в автоматический, позволяющий без участия оператора фазировать когерентный гетеродин частотой перемещающейся под действием ветра пассивной помехи для её последующей компенсации.

2.Анализ существующих схем компенсации доплеровской частоты, применяемых в РЛС РТВ Как было отмечено в главе 1, воздействие пассивных помех, перемещающихся под действием ветра, проявляется в маскировке эхо-сигналов от целей. При этом относительно скорости их перемещения возникает некоторая неопределённость, которую необходимо устранить поэтому данная глава будет посвящена наиболее распространенным способам компенсации частоты Доплера, обусловленной перемещением помех под действием ветра.

2.1 Применение схем компенсации действия ветра Поскольку пассивные помехи представляют собой радиосигналы, отражённые мешающими объектами при их облучении зондирующими сигналами радиолокационных станций, то их воздействие проявляется в подавлении и маскировке сигналов, отражённых от наблюдаемой цели. Вследствие чего затрудняется работа оператора по обнаружению воздушных целей. Но особую опасность представляют собой пассивные помехи, перемещающиеся в пространстве под действием ветра. Фаза сигналов, отраженных от перемещающегося в пространстве в определенном направлении облака дипольных радиоотражателей, непрерывно меняется:

(2.1)

где:

щ0 — частота сигнала РЛС;

d0 пом — дальность до облака ДРО;

нr пом — скорость перемещения облака ДРО;

t — время перемещения облака ДРО;

с — скорость света;

ц — случайная фаза, вызванная флюктуациями сигнала от помехи.

Следовательно, разность фаз сравниваемых сигналов на выходе фазового детектора в этом случае не будет оставаться неизменной от цикла к циклу работы РЛС, появится составляющая, пропорциональная радиальной скорости перемещения облака дипольных радиоотражателей:

(2.2)

или

(2.3)

где:

щс — несущая частота сигнала помехи, соответствующая частоте сравнения напряжений в фазовом детекторе;

цр — разность начальных фаз сравниваемых сигналов.

Таким образом, сигналы, отражённые от перемещающегося в пространстве облака дипольных радиоотражателей на выходе фазового детектора оказываются подобно сигналам от движущихся целей, промодулированными частотой Доплера. Мешающие сигналы такого рода без принятия специальных мер компенсации подавлению не поддаются. Необходимые меры защиты от проникновения их на экраны индикаторов должны быть приняты до фазового детектирования сигналов.

Чтобы исключить возможность появления на выходе фазового детектора амплитудной модуляции сигналов от перемещающегося облака дипольных радиоотражателей, необходимо обеспечить неизменность разности фаз сравниваемых напряжений на входе фазового детектора от периода к периоду повторения импульсов. Это можно достигнуть только изменением фазы когерентного напряжения, аналогичным изменению фазы отражённого сигнала:

(2.4)

Некоторые из способов введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина будут рассмотрены ниже.

2.1.1 Введение частотной поправки Доплера непосредственным изменением частоты когерентного гетеродина Структурная схема устройства введения поправки Доплера путём непосредственного изменения частоты когерентного гетеродина приведена на рисунке 2.1.

Управление частотой когерентного гетеродина осуществляется при помощи реактивной лампы, которая включается параллельно контуру когерентного гетеродина и выполняет роль переменной реактивной составляющей его проводимости.

На рисунке 2.2 показан один из наиболее распространенных вариантов схемы с реактивной лампой.

Напряжение между сеткой и катодом (Ugk) реактивной лампы является частью напряжения на контуре гетеродина. Фазосдвигающая цепь RC вызывает сдвиг напряжения Ugk относительно напряжения на контуре когерентного гетеродина (Uкг) на 90°. Анодный ток реактивной лампы оказывается также сдвинутым на 90° относительно напряжения Uкг. Поэтому реактивная лампа в точках подключения ее к контуру когерентного гетеродина представляет собой индуктивное или емкостное сопротивление в зависимости от направления сдвига фазы напряжения между сеткой и катодом относительно фазы напряжения на контуре когерентного гетеродина (на рис. 2.2. фаза напряжения Ugk отстает от фазы напряжения Uкг и поэтому реактивная лампа эквивалентна включению индуктивности параллельно контуру когерентного гетеродина).

Если фаза напряжения Ugk сдвинута относительно фазы напряжения Uкг на 90°, то реактивная составляющая проводимости, создаваемая

реактивной лампой, в первом приближении равна:

(2.5)

где:

S — крутизна характеристики реактивной лампы.

Таким образом, регулируя смещение на управляющей сетке реактивной лампы и тем самым крутизну характеристики лампы, можно изменять

реактивную составляющую проводимости контура когерентного гетеродина, а следовательно, и генерируемую когерентным гетеродином частоту.

Величина изменения частоты когерентного гетеродина под влиянием реактивной лампы зависит от величины изменения крутизны реактивной лампы и соотношения реактивных сопротивлений лампы и контура когерентного гетеродина:

(2.6)

где:

L и С — индуктивность и емкость контура когерентного гетеродина.

Если фазовый сдвиг между напряжениями Ugк и Uкг равен не точно 90°, то в контур когерентного гетеродина со стороны реактивной лампы вносится некоторое активное сопротивление, величина которого зависит от крутизны реактивной лампы и величины фазового сдвига между напряжениями Ugк и Uкг.

Вследствие наличия сильной связи между контуром когерентного гетеродина и реактивной лампой снижается стабильность частоты когерентного гетеродина. Кроме того, при перестройке частоты когерентного гетеродина изменяется амплитуда его выходного напряжения, что может отразиться на работе фазового детектора (меняется соотношение амплитуд сравниваемых сигналов). Для поддержания постоянства уровня сигнала когерентного гетеродина необходимо ввести амплитудное ограничение в канале когерентного напряжения.

Перечисленные недостатки способа введения частотной поправки Доплера, а также реализуемый им низкий коэффициент подавления Кпод = 5 дБ делают его малопригодным.

2.1.2 Введение частотной поправки Доплера путем «смешивания» частот когерентного гетеродина и низкочастотного генератора Принципиально поправка Доплера на частоту когерентного гетеродина может быть введена путем выделения одной из боковых частот, образующихся в результате биения частот когерентного гетеродина и низкочастотного генератора (fкг + Fд пом или fкг — Fд пом в зависимости от направления движения отражающего объекта).

Структурная схема такого устройства компенсации эффекта движения источника мешающих отражений приведена на рисунке. 2.3.

Рисунок 2.3 — Структурная схема устройства компенсации действия ветра Пределы перестройки низкочастотного генератора должны перекрывать весь возможный (для данной РЛС) при мешающих отражениях диапазон частот Доплера.

Способ введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина путем «смешивания» частот когерентного гетеродина и низкочастотного генератора практически непригоден, так как выделение одной из боковых частот, образующихся при биении упомянутых частот, — задача технически чрезвычайно сложная в силу того, что селектируемая частота отличается от частоты когерентного гетеродина очень незначительно. Способ позволяет реализовать коэффициент подавления

порядка 7 дБ.

2.1.3 Введение частотной поправки Доплера при помощи фазовой модуляции когерентного напряжения низкой частотой Фазовый модулятор устройства введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина состоит из четырех каскадов с общей анодной нагрузкой (рис. 2.4).

Напряжение когерентного гетеродина подается на высокочастотный фазорасщепитель, имеющий четыре выхода со сдвигом фаз 0, 90, 180 и 270°.

Напряжение низкочастотного генератора поступает на низкочастотный фазорасщепитель, имеющий также четыре выхода со сдвигом фаз 0, 90, 180 и 270°.

На управляющие сетки ламп фазового модулятора подаются когерентные напряжения с высокочастотного фазорасщепителя:

а на пентодные сетки — напряжения низкой частоты с низкочастотного фазорасщепителя:

Анодные токи ламп фазового модулятора при этом будут соответственно равны:

При Umус1 = Umус2 = Umус3 = Umус4, Umпс1= Umпс2= Umпс3= Umпс4

Рисунок 2.4 — Структурная схема фазового модулятора устройства введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина и полной идентичности параметров ламп фазового модулятора ток, протекающий в общей цепи анодной нагрузки фазового модулятора:

(2.11)

а когерентное напряжение, снимаемое с общей анодной нагрузки:

т (2.12)

Недостатки такого способа введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина следующие:

— наличие перестраиваемого низкочастотного генератора, стабильность частоты которого невысока;

— необходимость подстройки фазорасщепляющей цепочки при изменении частоты соответствующего генератора (в противном случае в анодной нагрузке фазового модулятора появляются токи паразитных частот);

— коэффициент подавления пассивных помех составляет Кпод = 8 дБ.

2.1.4Введение поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина путем двойного «смешивания» частот Структурная схема устройства введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина путем двойного «смешивания» частот представлена на рис. 2.5.

В смесителе 1 происходит первое «смешивание» частот: на смеситель подаются сигналы когерентного гетеродина (рис. 2.6,а) и генератора постоянной частоты f1 (рис. 2.6,б).

Из ряда комбинационных частот, образующихся при биении частот fкг и f1 (рис. 2.6,в), фильтр (амплитудно-частотная характеристика показана на рис. 2.6, г) выделяет частоту fкг — f1 (рис. 2.6,д).

В смесителе 2 осуществляется второе «смешивание» частот: частоты fкг — f1 и частоты f2 перестраиваемого генератора (рис. 2.6, е). В результате биения частот fкг — f1 и f2 также образуется ряд комбинационных частот (рис. 2.6,ж), из которых фильтр (амплитудно-частотная характеристика показана на рис. 2.6,з) пропускает только частоту fкг — f1 + f2 = fкг ±Fд пом (рис. 2.6, и).

Очевидно, что последний способ введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина наиболее надежен и эффективен. Поэтому он получил широкое практическое применение и позволяет осуществить подавление пассивных помех с Кпод = 12 дБ.

Недостаток рассмотренного способа введения поправки Доплера на частоту когерентного гетеродина — некоторая громоздкость устройства введения частотной поправки Доплера (два отдельных генератора, два смесителя с фильтрами).

Применение схем квадратурных корреляционных автокомпенсаторов.

Структурная схема подобного рода устройств приведена на рисунке 2.7.

Особенность построения таких схем заключается в том, что, как правило, они осуществляют своё функционирование на рабочем и не рабочем участке дистанции. На рабочем участке дистанции подаются эхо-сигналы, а на не рабочем участке — настроечные сигналы для подстройки системы на качественное подавление пассивных помех, движущихся под действием ветра. Чаще всего для увеличения качества подавления помех применяются схемы с 2 — 3 ступенями автокомпенсации.

Эхо-сигналы, отраженные от облаков дипольных помех компенсируются автокомпенсатором 2. Так как сигнал, до того как поступить на вход автокомпенсатора 2 прошёл автокомпенсатор 1, то в нём компенсируется сдвиг по фазе равный междупериодной разности фаз зондирующих импульсов, и разность фаз колебаний на входах автокомпенсатора 2 будет определяться только эффектом Доплера.

Работа автокомпенсатора 2 осуществляется в режиме с накоплением управляющего напряжения в зоне действия пассивных помех. Постоянную интегрирования целесообразнее всего выбирать порядка t =1 мс. Величина постоянной времени должна быть значительно больше длительности сигнала, отражённого от цели. В этом случае, если на фоне пассивных помех имеются эхо-сигналы от целей, то цепь корреляционной обратной связи не успеет на них «среагировать». Так исключается влияние эхо — сигналов на качество подавления пассивных помех, перемещающихся под действием ветра. Окончательная настройка устройства на компенсацию доплеровской частоты и подавление помехи может произойти за 1 — 5 периодов повторения радиолокационной станции.

В целом, данный метод, на основе применения квадратурных корреляционных автокомпенсаторов обеспечивает коэффициент подавления дипольных помех, перемещающихся под действием ветра, равный Кпод=26 дБ.

Существенным недостатком построения таких систем является применение в качестве запоминающих устройств соляных ультразвуковых линий задержки, параметры которых существенно зависят от температуры окружающей среды. Изменение температуры приведёт к «уходу» параметров линий задержки, что в свою очередь скажется на качестве подавления помех. И для решения этой проблемы необходимо применять дополнительные меры для стабилизации их параметров. Такими мерами могут быть либо громоздкие термостатические устройства, либо контуры коррекции времени. Последняя мера приводит, как правило, к потере способности РЛС работать в режиме внешнего запуска. Все вышеперечисленное обуславливает невозможность применения такой схемы для СДЦ РЛС 5Н84А.

2.2 Применение схем параллельного анализа доплеровской частоты Структурная схема такого рода устройств, реализующая данный метод

компенсации доплеровской частоты представлена на рисунке 2.8.

Построение подобного рода схем возможно только в цифровом виде, в связи с тем, что аналоговая аппаратура окажется неспособной отследить незначительные фазовые сдвиги, перемещающихся под действием ветра пассивных помех.

Как видно из рисунка устройство содержит канал защиты от помех и канал анализа доплеровской частоты.

В состав канала защиты входит:

1)смеситель;

2)вычитающее устройство; (ВУ)

3)линия задержки (ЛЗ), предназначенная для выравнивания задержек, возникших в вычитающем устройстве;

4)сумматор.

В состав канала анализа доплеровской частоты входит некоторое число одинаковых доплеровских подканалов, каждый из которых настроен на фиксированную величину изменения фазы поступившего сигнала и содержит:

1)фазовращатели (ФВ) по числу доплеровских подканалов;

2)схемы компенсации и преобразования;

3)устройство выбора минимума.

Критерием выбора необходимой частоты перестройки является минимум числа превышений с выхода схемы компенсации и преобразования в одном из доплеровских подканалов. Частота перестройки соответствующая подканалу, в котором был зафиксирован минимум числа превышений, будет установлена в канале защиты.

Реализация данного метода компенсации частоты Доплера, возникшей вследствие перемещения дипольных радиоотражателей под действием ветра, заключается в следующем.

Эхо-сигналы, отражённые от облаков дипольных радиоотражателей, перемещающихся под действием ветра, в виде двух квадратур поступают одновременно в канал защиты и канал анализа на частоте:

(2.13)

Канал анализа состоит из нескольких подканалов оценки доплеровской частоты, фазовращатели в которых настроены на определённый сдвиг по фазе с учётом перекрытия всех возможных скоростей перемещения дипольных радиоотражателей.

Эхо-сигналы, получив каждый свой определённый сдвиг по фазе, в зависимости от номера подканала, куда он поступил, проходит на вход схемы

компенсации и преобразования. В схеме компенсации и преобразования сигнал, в зависимости от полученного в фазовращателе вазового сдвига подавляется с определённым качеством. Чем ближе величина фазового сдвига, сообщаемая фазовращателем эхо-сигналу к фазовому сдвигу реальной дипольной помехи, тем лучше сигнал будет подавлен. И тем меньше будет число превышений сигнала на выходе схемы. Устройство выбора минимума, в свою очередь, по минимум превышений с выхода схемы компенсации и преобразования сообщит каналу защиты необходимую величину частоты Доплера (), на которую необходимо изменить частоту эхо-сигнала от дипольной помехи для её подавления.

(2.14)

Тем самым будет скомпенсирована доплеровская добавка частоты, возникающая за счёт перемещения дипольных радиоотражателей под действием ветра.

Данный метод позволяет реализовать коэффициент подавления дипольных помех порядка 40дБ и наиболее удобен в применении. Поэтому ввиду большой эффективности и малых аппаратных затрат (некоторые операции могут быть реализованы в программном виде) именно его целесообразно взять за основу при проектировании устройства автоматической компенсации частоты Доплера для РЛС 5Н84А.

2.3 Особенности реализации когерентно-импульсного метода в РЛС 5Н84А С целью проектирования устройства автоматической компенсации частоты Доплера для РЛС 5Н84А необходимо рассмотреть принципы построения существующей схемы когерентно-импульсного устройства (КИУ) с тем, чтобы выявить место проектируемого устройства и его принципиальные особенности.

В РЛС 5Н84А используется КИУ на основе введения поправки Доплера в частоту когерентного гетеродина путем двойного «смешивания» частот. Структурная схема когерентно-импульсного устройства представлена на рисунке 2.9. В данной системе фазовый сдвиг перемещающихся под действием ветра ДРО, навязывается когерентному гетеродину в канале двойного преобразования.

Принцип работы системы заключается в следующем. Импульсы фазирования через каскад фазирования (см. рисунок 2.9.), представляющий собой усилитель промежуточной частоты, отпирающийся на время действия фазирующего импульса, поступают в контур когерентного гетеродина. Когерентный гетеродин вырабатывает непрерывные синусоидальные колебания, равные промежуточной частоте станции, и при поступлении на него фазирующего импульса ему навязывается фаза импульсов передатчика. В дальнейшем когерентный гетеродин вырабатывает колебания с этой фазой до прихода фазирующего импульса в следующем периоде повторения РЛС. Далее сигналу с когерентного гетеродина через канал двойного преобразования, входящего в состав системы компенсации действия ветра, навязывается фаза дипольной помехи, перемещающейся под действием ветра. Принцип работы канала двойного преобразования будет рассмотрен ниже. Таким образом на вход фазового детектора одновременно поступит 2 сигнала:

1)эхо-сигнал от ДРО, перемещающихся под действием ветра.

Частота эхо-сигнала от ДРО, перемещающихся под действием ветра описывается выражением:

(2.15)

где:

зс — частота зондирующего сигнала РЛС;

Д — частота Доплера, обусловленная перемещением дипольных помех под действием ветра.

2)сигнал с выхода канала двойного преобразования.

Выражение для частоты сигнала на выходе канала двойного преобразования имеет вид:

(2.16)

где:

ПДУ — частота передающего устройства;

Известно, что:

(21.7)

Тогда:

(2.18)

Из приведенных выражений 2.15;2.16;2.17;2.18; видно, что:

(2.19)

Отсюда можно сделать вывод что на входы фазовых детекторов поступят 2 сигнала с одинаковой фазой, которые сравнившись между собой не вызовут никаких флюктуаций на его выходе и успешно подавятся аппаратурой череспериодной компенсации. Такое построение системы обеспечивает коэффициент подавления дипольных помех, перемещающихся под действием ветра порядка Кпод = 15 дБ.

2.4 Принцип работы канала двойного преобразования Если не принять специальных мер, то на выходе фазового детектора сигналы от помехи движущиеся под действием ветра, будут иметь различные амплитуду и полярность от периода к периоду.

Это в конечном итоге приведёт к тому, что на экране индикатора будут остатки от пассивных помех. Для исключения этого явления когерентному гетеродину необходимо сообщить такой же сдвиг по фазе, как и у сигналов, поступивших от движущихся помех. Изменение фазы когерентного гетеродина производится с помощью схемы компенсации действия ветра.

Структурная схема системы компенсации действия ветра представлена на рисунке 2.10.

Схема компенсации действия ветра изменяет частоту когерентного гетеродина на такую величину, на какую величину изменяется частота эхосигнала помехи, движущейся под действием ветра.

В состав системы компенсации действия ветра входит:

1)канал двойного преобразования частоты;

2)блок кварцевых гетеродинов;

3)синусно-косинусный механизм.

Работа системы компенсации действия ветра осуществляется в режиме защиты от местных предметов и в режиме защиты от дипольных помех.

В режиме защиты от дипольных помех с помощью канала двойного преобразования вводится доплеровская добавка частоты к частоте когерентного гетеродина. Это происходит следующим образом.

На выходе первого смесителя выделяется напряжение с разносной частотой:

(2.20)

где:

кг — частота сигнала на выходе когерентного гетеродина;

кв1 — величина частотной добавки на выходе кварцевого гетеродина 1.

На выходе второго смесителя выделяется напряжение с суммарной частотой:

(2.21)

где:

кв2 — величина частотной добавки на выходе кварцевого гетеродина 2.

Известно, что:

(2.22)

За счёт того, что частоты кварцевых гетеродинов (кв1 и кв2) отличаются между собой на величину Д, частота когерентного гетеродина изменяется на величину Д.

Таким образом, изменяя частоты кварцевых гетеродинов, можно изменять величину и знак доплеровской добавки частоты.

Управление доплеровской добавкой частоты осуществляется с помощью синусно-косинусного механизма, а по сути — вручную с помощью ручек КОМПЕНС.1 и КОМПЕНС.2. Тем самым оператор, постоянно настраивая систему селекции движущихся целей на подавление пассивной помехи, будет затрачивать на это мероприятие, в зависимости от интенсивности помех, порядка 50 — 120 сек (большая часть затрачиваемого времени связана с процессом установки антенны, обладающей значительной инерционностью, на заданные азимуты). Этим он окажется отвлечённым от выдачи информации о воздушных целях, что приведет к уменьшению её темпа выдачи.

Из выше приведенного анализа существующих схем компенсации доплеровской частоты, перемещающихся под действием ветра пассивных помех, можно сделать вывод, что существующая схема компенсации действия ветра в современных условиях войны окажется неспособной к качественному выполнению задачи по предназначению и требует замены на более совершенное устройство, которое не требовало бы участия оператора в функции компенсации дипольных радиоотражателей, перемещающихся под действием ветра.

В связи с этим, учитывая все достоинства и недостатки выше описанных схем компенсации частоты Доплера, в качестве оптимального пути модернизации существующей схемы компенсации действия ветра можно предложить применение параллельных схем анализа доплеровской частоты. Данный путь модернизации позволит устранить работу оператора, которая состоит в постоянной настройке системы СДЦ для подавления пассивных помех, а также позволит реализовать высокий коэффициент подавления дипольных радиоотражателей, перемещающихся под действием ветра.

3. Разработка структурной, функциональной схем и расчёт элементов принципиальной схемы автоматической компенсации доплеровской частоты В данной главе предъявляются требования к устройству автоматической компенсации доплеровской частоты, на основе которых будут разработаны её структурная, функциональная схемы, а также будет приведён расчёт элементов принципиальной схемы.

3.1 Требования, предъявляемые к устройству автоматической компенсации доплеровской частоты Поскольку устройство автоматической компенсации доплеровской частоты входит в состав системы СДЦ, обеспечивающей защиту РЛС от пассивных помех с заданной эффективностью, то к нему предъявляется ряд требований:

Качество компенсации доплеровской частоты.

Требование к качеству компенсации доплеровской частоты является одним из основных требований, предъявляемых к устройству автоматической компенсации частоты Доплера. Это обусловлено следующим: от того, насколько точно скомпенсирована частота Доплера пассивной помехи (от периода к периоду), настолько стабильна будет амплитуда и полярность выходных видеоимпульсов фазового детектора, подаваемых на потенциалоскопы, обеспечивающие требуемый коэффициент подавления сигналов пассивных помех. В современных РЛС его значение, обычно, лежит в пределах 30 — 40 дБ. Для достижения указанного значения точность подстройки частоты Доплера должна составлять единицы Гц.

Диапазон скоростей перемещения пассивной помехи.

Данный показатель является немаловажным, поскольку от его значения будет зависеть способность РЛС с одной стороны, — компенсировать сигналы быстро перемещающихся помех, с другой стороны — возможность принимать сигналы от медленно движущихся целей. В современных РЛС его диапазон скоростей должен находиться в пределах от 0 до 150 км/ч.