Расчет требуемой мощности передатчика радиолокационной системы для цели с минимальным поперечником рассеяния

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Р и РТКС

Расчетно-графическое задание

на тему: «Расчет требуемой мощности передатчика РЛС для цели с минимальным поперечником рассеяния»

по дисциплине: «Радиолокационные системы»

Выполнил:

курсант группы РО-491,

Петров А.А.

Проверил:

профессор, к.т.н, Пятси А.Х.

Мурманск — 2013

1. Описание РЛС SMR-3600

2. Теоретические сведения

3. Расчет мощности передатчика РЛС для цели с минимальным поперечником рассеяния

4. Влияние затухания электромагнитных волн в атмосфере на дальность радиолокационного наблюдения Список литературы

1. Описание РЛС SMR-3600

РЛС SMR-3600 представляет собой судовую навигационную радиолокационную станцию диапазона 3,2 см, мощностью 4 кW с цветным LCD-монитором 10.4″ (26,5 см), дальность обнаружения целей до 36 миль, предназначен для оснащения морских и речных судов водоизмещением до 300 рег. тонн, кроме пассажирских. Имеет Одобрение Типа Российского Морского Регистра Судоходства и Российского Речного Регистра.

Возможности:

· 10 шкал дальности от 0,125 до 36 морских миль.

· 10,4″ TFT LCD цветной дисплей.

· Встроенный высокоскоростной процессор обеспечивает быстрое и точное отображение цели.

· 10 уровней яркости обеспечивает удобство навигации в ночное время.

· Возможность выбора 4 цветов на дисплее: белый, голубой, желтый, зеленый.

· Джойстик имеет 8 направлений, что позволяет быстро перемещать курсор по экрану.

· Установка диапазона может производиться различными способами.

· Функция снижения мощности для экономии электроэнергии

· Возможность перемещения начала развертки для обзора удаленных целей.

· Два кольца дальности

· Два визира направления

· Режим параллельных линий

· Режим охранной зоны

· Диапазон напряжения питания 10−36V DC

Технические характеристики РЛС

Исходные данные для расчета:

Высота подъема антенны: .

Высота цели: .

Вероятность правильного приема: .

Вероятность ошибки: .

Коэффициент шума РПУ: .

КПД фидера: з_ф = 0,95.

Минимальный поперечник рассеяния цели: .

2. Теоретические сведения

Основными характеристиками, определяющими возможность использования радиолокатора по назначению, являются обеспечение надежного обнаружения различных объектов, измерение их координат и оценка их свойств.

Для радиолокаторов существенным является требование обеспечения достаточной энергии сигнала для обнаружения целей с малыми эффективными площадями рассеяния на максимальной дальности. Поэтому для практики важна, кроме того, возможность реализации приемника, который достаточно хорошо аппроксимирует идеальный приемник с согласованным фильтром. Согласно известному уравнению дальности радиолокационного наблюдения

(1)

дальность действия РЛС пропорциональна корню четвертой степени от излучаемой мощности. Вследствие этого увеличение мощности передатчика может стоить очень дорого.

Очень важно, кроме того, чтобы генерирование сигналов большой мощности осуществлялось эффективно.

Необходимо рассчитать требуемую мощность передатчика для цели с минимальным поперечником рассеяния. В данном случае цель — рубка подводной лодки, минимальный поперечник рассеяния которой равен .

Радиолокационное наблюдение целей возможно, если мощность сигнала цели на входе приемника P_пр превышает некоторый пороговый уровень P_{пр min}. Максимальная дальность до цели R_max, при которой еще выполняется условие P_пр? P_{пр min}, называется дальностью радиолокационного наблюдения.

Максимальная дальность действия задается тактическими требованиями и зависит от многих технических характеристик РЛС, условий распространения радиоволн и характеристик целей, которые в реальных условиях использования станций подвержены случайным изменениям. Поэтому максимальная дальность действия является вероятностной характеристикой.

Максимальная дальность действия РЛС определяется формулой (1).

В импульсных РЛС для приема и передачи обычно используется одна и та же антенна, т. е. в формуле (1). Тогда уравнение дальности радиолокации может быть записано в виде:

. (2)

Если прием сигналов производится на фоне флуктуационной помехи, а приемник является оптимальным, то минимальное отношение «сигнал/шум» (отношение энергии сигнала в импульсе к спектральной плотности шума), при котором обеспечивается обнаружение сигнала цели на фоне шумов с заданным качеством (с заданной вероятностью правильного обнаружения при допустимой вероятности ложной тревоги) или заданная точность оценки параметров сигнала, связано с P_{пр min} соотношением

Где ф_и — длительность зондирующего импульса, т. е.

(4)

здесь N₀ — спектральная плотность шума на входе приемника.

Учитывая, что есть энергия излучаемого зондирующего импульса, получим:

. (5)

Отсюда следует, что дальность радиолокационного наблюдения определяется отношением энергии зондирующего сигнала к спектральной плотности шума, приведенной к входу приемника РЛС. Спектральную плотность шума можно выразить через эффективную шумовую температуру T_ш:

N₀ = k · T_ш,

где k = 1,38· 10^-23 Вт/Гц· град — постоянная Больцмана.

Эффективная шумовая температура складывается из шумовой температуры антенны T_ш.А и шумовой температуры приемного тракта

T_ш.пр, т. е. Т_ш = Т_ш.А + Т_ш.пр.

Шумовая температура приемного тракта, с учетом потерь в антенном фидере:

(6)

где N_ш — коэффициент шума приемника, а з_ф — коэффициент полезного действия фидерной системы.

Таким образом, эквивалентная спектральная плотность шума, приведенная к входу приемника:

. (7)

Отношение «сигнал-шум», при котором обеспечивается обнаружение сигнала на фоне шумов с вероятностью правильного обнаружения P_D и ложной тревоги P_F, в случае обнаружения пачки n одинаковых некогерентных нефлуктуирующих импульсов на фоне флуктуирующих помех, определяется:

. (8)

3. Расчет мощности передатчика РЛС для цели с минимальным поперечником рассеяния

1. При больших удалениях цели от РЛС необходимо учитывать влияние кривизны поверхности земли, ограничивающей дальность радиолокационного наблюдения дальностью прямой видимости, которая зависит от высоты подъема антенны РЛС и высоты цели :

где R_з — радиус Земли.

2. Разрешающая способность по дальности — минимальная дальность между двумя целями, имеющими угловые одинаковые координаты, при которой метки от них на экране индикатора видны раздельно.

Потенциальная разрешающая способность по дальности вычисляется по формуле:

Для определения реальной разрешающей способности по дальности необходимо учесть параметры LCD индикатора:

где L — длина развертки, d_n — диаметр пятна.

Реальная разрешающая способность по дальности будет иметь вид:

где ф_и — длительность импульса, с — скорость света.

3. Минимальная дальность обнаружения станции зависит от пределов работы антенной системы по углу места. Она различна для разных частот и определяет величину мертвой зоны. В наземных РЛС при малых углах места реальное значение R_min ограничивается влиянием местных предметов, определяющих углы закрытия, которые, в свою очередь, ограничивают возможность наблюдения низколетящих целей.

Если антенная система не вносит ограничений, то минимальная дальность действия РЛС определяется длительностью импульса ф_и и временем восстановления антенного переключателя ф_в.

4. Частота повторения зондирующих импульсов определяется по формуле:

где K_з — коэффициент запаса, учитывающий влияние индикатора.

— период следования зондирующих импульсов.

5. Максимальное значение коэффициента направленного действия антенны вычисляется по формуле:

где — значения ширины луча диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

6. Количество импульсов в пачке. Количество импульсов в пачке зависит от ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, скорости вращения антенны W и частоты следования зондирующих импульсов F_n.

Чтобы определить период обновления информации необходимо знать время облучения цели:

где — скорость вращения антенны.

— число импульсов в пачке.

7. Отношение «сигнал/шум», обеспечивающее заданную вероятность обнаружения сигнала определяется формулой (8):

Функция распределения случайной величины имеет вид:

и называется функцией Лапласа. Она связана с нормированной функцией Лапласа равенством:

.

Пользуясь таблицами нормального распределения, найдем значения верхнего предела интегрирования нормированной функции Лапласа для вероятностей правильного обнаружения сигнала и ложной тревоги :

8. Спектральная плотность шума на входе РПУ:

где — эффективная шумовая температура. — определяется по графику зависимости шумовой температуры антенны от частоты при в = 0? (рис 4.1).

где — КПД фидера, — коэффициент шума РПУ, тогда:

Мощность шума, которую источник отдает согласованной с ним нагрузке в полосе положительных частот

:

9. Чувствительность приемника РЛС. 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.

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

.

Так как в нашем случае используется одна антенна для передачи и приема сигналов, то и отсюда следует, что Средняя мощность излучения за период повторения импульсов:

где б = 1 — коэффициент для прямоугольных импульсов.

4. Влияние затухания электромагнитных волн в атмосфере на дальность радиолокационного наблюдения

радиолокационный передатчик электромагнитный мощность 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.

Убывание плотности потока мощности волны с расстоянием вследствие поглощения и рассеяния происходит по экспоненциальному закону. При наличии затухания мощность сигнала на входе приемника:

где — мощность сигнала на входе приемника при отсутствии затухания, exp (-Г) — множитель, характеризующий ослабление. Для области атмосферы, характеризуемой постоянным коэффициентом затухания б вдоль траектории радиолуча, Г = 2бR, а мощность принимаемого сигнала:

В диапазоне волн, применяемых в радиолокации, затухание в атмосфере становится значительным при л<3 см, а на миллиметровых волнах оно играет решающую роль: только небольшое «окно» между частотами резонансного поглощения (на волне л?8,7 мм) удается использовать для радиолокации.

Допустим, что на всем пути РЛС — цель — РЛС протяженностью 2R_max [км] происходит поглощение энергии радиоволны при одинаковом коэффициенте затухания б [дБ/км], т. е. общее затухание равно 2· б·R_max [дБ]. Здесь:

(9)

где k_погл — коэффициент поглощения в безразмерных единицах, L_погл — протяженность трассы поглощения в км.

Максимальную дальность действия с учетом поглощения R_{max погл} можно выразить через R_max, используя формулу (1), следующим образом:

(10)

Из (9) можно записать:

(11)

Тогда Поглощение радиоволн в атмосфере зависит от длины волны и от интенсивности осадков Q. Пики его вызываются резонансным поглощением энергии радиоволн молекулами воды и кислорода.

Рис. 2. Зависимости поглощения энергии радиоволн от длины волны и интенсивности осадков При дождевых осадках справедлива эмпирическая формула:

(при),

где б — коэффициент затухания (дБ/км); Q — интенсивность осадков (мм/ч).

При Q = 1:

При одинаковом поглощении на протяжении всей трассы распространения радиоволн дальность прямой видимости составит:

где б — коэффициент затухания для л = 0,032 м.

При Q = 5 имеем

При Q = 20 имеем

Тогда с учетом поглощения радиоволн импульсная мощность передатчика для обеспечения заданной дальности обнаружения при интенсивности осадков будет равна:

А средняя мощность излучения за период повторения импульсов составит:

Список литературы

1. Бакулев, П. А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. — М.: Радиотехника, 2004. — 320 с.: ил.

2. Белоцерковский, Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. — М.: Советское радио, 1975. — 336 с.: ил.

3. Пятси, А. Х. Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие по дисциплине «Теоретические основы радиолокации» / А. Х. Пятси. — Мурманск: изд-во МГТУ, 2004. — 170 с.: ил.