Амплитудный накопитель сигнала некогерентного рассеяния

Амплитудный накопитель сигнала некогерентного рассеяния

Анотація

Проект має функціональну і принципову схеми амплітудного накопичувача, результат якого використовується для допоміжного контролю під час основної процедури обробки сигналу НР з метою вилучення відгуків від літаючих об'єктів. В записці представлено опис основних принципів, які були покладені в основу розробки пристрою, а також його прототипи і аналогічні пристрої.

Приведені алгоритми, які реалізують накопичення для одержання стандартних сеансів і сеансів короткої тривалості. Представлено деяке програмне забезпечення, що реалізує алгоритми при використанні язика «ТурбоБейсик» .

Приведені розрахунки надійності амплітудного накопичувача, які показали, що пристрій забезпечує задане значення ймовірності безпомилкової роботи. Приведена технологія виготовлення і збору амплітудного накопичувача, а в кінці проекту приділена увага техніко-економічному обгрунтуванню необхідності розробки даного пристрою, приділена увага охороні праці і навколишнього середовища.

Annotation

The project contains the functional and basic circuits of the peak store used in real time for the control of the basic procedure of accumulation of a IS signal with the purpose of elimination of reflections from flying objects. In a slip the description of the basic principles fixed in a basis of development of the device, and also its prototypes and similar devices.

The algorithms realizing accumulation for reception of standard sessions and sessions of short duration are given. Some software realizing algorithms at use of functions of TurboBASIC language is submitted.

The accounts of reliability of the peak store are given which have shown, that the device provides the given meaning of probability of non-failure operation. The technology of manufacturing and assembly of the peak store is given, and at the end of the project the attention to the feasibility report of necessity of creation of the given device is given, the attention to protection of work and environment is given.

Реферат

Проект содержит функциональную и принципиальную схемы амплитудного накопителя, результаты которого используются для дополнительного контроля во время основной процедуры обработки сигнала НР с целью устранения отражений от летательных объектов. В записке представлено описание основных принципов, положенных в основу разработки устройства, а также его прототипы и аналогичные устройства.

Приведены алгоритмы, реализующие накопление для получения стандартных сеансов и сеансов короткой длительности. Представлено некоторое программное обеспечение, реализующее алгоритмы при использовании функций языка «ТурбоБейсик» .

Приведены расчеты надежности амплитудного накопителя, которые показали, что устройство обеспечивает заданное значение вероятности безотказной работы. Приведена технология изготовления и сборки амплитудного накопителя, а в конце проекта уделено внимание технико-экономическому обоснованию необходимости создания данного устройства, уделено внимание охране труда и окружающей среды.

В настоящее время в связи с развитием радиосвязи, радиоастрономии, а также освоением космического пространства возросло значение исследования процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли — ионосфере. Ионосфера оказывает определяющее воздействие на распространение радиоволн. Под воздействием излучений солнца, космических лучей и частиц из поясов радиации магнитосферы в верхних слоях атмосферы происходят процессы ионизации, приводящие к образованию плазмы с концентрацией заряженных частиц порядка одного процента от общего количества. Параметры плазмы зависят от времени суток, времени года, высоты, солнечной активности, состояния магнитосферы, а также географических координат. В зависимости от состояния ионосферы изменяются и степень поглощения и рефракция радиоволн, автои кроссмодуляция и ряд других эффектов [1,2].

Рисунок 1

Возможность исследования состояния ионосферы на основе анализа рассеяния электромагнитной волны на свободных электронах была обоснована и экспериментально проверена в конце пятидесятых годов. Это положило начало применению метода некогерентного рассеяния, позволяющему одновременно получать данные об основных параметрах ионосферы в широком диапазоне высот. В 1958 г. У. Гордон, основываясь на явлении рассеяния электромагнитной волны на свободных электронах, высказал предположение о возможности проведения измерений электронной концентрации в ионосфере выше максимума слоя F2 на частотах, больших плазменной частоты этой области [1,3]. Экспериментальная проверка этого предположения (К. Боулсом) в 1958 году дала обнадеживающие результаты и положила начало развитию метода некогерентного рассеяния радиоволн [2,4,5].

Метод основан на известном явлении томсоновского рассеяния [1−10]. Некогерентно рассеянное (НР) ионосферой излучение практически можно обнаружить при помощи существующей радиолокационной техники только тогда, когда длина зондирующей волны значительно больше дебаевской длины. Это требование удовлетворяется в дневное время для высоты до 1000 км при длине волны 25 см и более, а ночью же при измерениях в области E необходима длина волны порядка 1 м [5,9].

Сечение рассеяния зондируемого объема ионосферы, расположенного на высоте около 300 км, эквивалентно по площади 1 см². Ясно, что для получения полезной информации необходимо применять весьма современные радиоэлектронные устройства. Обычно используются радиопередатчики, работающие в дециметровом либо в метровом диапазоне волн с импульсной мощностью несколько мегаватт, радиоприемные устройства с низким уровнем шума, специализированные устройства обработки информации и быстродействующие компьютеры [11,14,16].

Некогерентное рассеяние на метровых и дециметровых волнах обусловлено наличием флуктуаций плотности плазмы, вызываемых тепловым движением ионов и электронов. В этом случае основной причиной флуктуаций плотности электронов является наличие ионов, а в результате кулоновского взаимодействия между ними возникают ионно-звуковые волны. Иными словами, каждый ион оказывает возмущающее действие на движение всех электронов внутри сферы дебаевского радиуса и, таким образом, хаотическое движение ионов приводит к соответствующим статистическим флуктуациям концентрации электронов. Другой не менее важной причиной флуктуаций является кулоновское отталкивание самих электронов, что приводит к слабому резонансу на плазменной частоте. В спектре рассеянного сигнала возникает компонента, смещенная на величину плазменной частоты для высоты, на которой происходит рассеяние (так называемая плазменная линия, или электронная часть спектра) [7−9].

Ионно-звуковая волна подобна звуковым волнам и распространяется со скоростью, близкой к тепловой скорости доминирующих ионов. При наличии такой волны в плазме образуются сгустки и разряжения плотности. На этих слабых неоднородностях рассеиваются радиоволны, их результирующая максимальна, если волны, рассеиваемые отдельными неоднородностями, суммируются в фазе. При этом расстояние между неоднородностями должно быть равно половине длины волны для обратного рассеяния. Рассеянный сигнал несет информацию о распределении и характере движения не только электронной, но и ионной компоненты плазмы. Он позволяет получать богатый набор параметров ионосферы: электронную и ионную температуры, распределение по массам, среднюю скорость дрейфа частиц разных сортов, что в свою очередь дает возможность определить ионосферное электрическое поле, направление и силу тока, скорость ветра в нейтральной атмосфере и другие важные параметры [3,6,7].

В настоящее время восемь обсерваторий ведут зондирование ионосферы методом некогерентного рассеяния, пять из них расположены в Америке, одна у нас в стране и одна в России [11,12]. При Институте ионосферы действует радар для исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния. Этот радар представляет собой установку, работающую в импульсном режиме. Созданный в Институте ионосферы радар работает на частоте около 150МГц. Импульсная мощность радиопередающего устройства около 2 МВт. Длительность импульсов может изменяться в широких пределах — от 40мкс до 1мс. Шумовая температура системы не хуже 500 К.

Обычно при исследованиях ионосферы методом HP измеряется уровень мощности принятого сигнала, его спектр либо автокорреляционная функция, так как коэффициент корреляции флуктуаций электронов несет в себе ту же информацию, что и спектр мощности. Для решения широкого круга задач, возникающих при исследовании ионосферы, предусмотрена возможность работы комплекса в нескольких основных режимах, отличающихся параметрами зондируемого импульса (длительностью, частотой повторения и временной расстановкой импульсов друг относительно друга). Например, режим 1 (длительность импульса около 1мс, частота повторения 25Гц) используется для исследования параметров ионосферы на высотах, больших высоты максимума слоя F2, где монотонный характер изменения высотных профилей допускает применение импульсов с разрешающей способностью по высоте около 150 км. С другой стороны, малый уровень принимаемого с этих высот сигнала в свою очередь требует применения импульсов большой длительности.

Сигнал с выхода блока кварцованных гетеродинов (общего для приемного устройства, передающего устройства и системы обработки) поступает на двухканальное передающее устройство, где усиливается, а затем по волноводному фидерному тракту передается в возбуждающий рупор двухзеркальной антенны. Здесь мощный радиоимпульс излучается вертикально вверх, а весьма слабый сигнал отраженного от ионосферы радиоимпульса, рассеянного на тепловых флуктуациях электронной плотности, принимается той же антенной и через антенный коммутатор «прием-передача» поступает на входные параметрические усилители приемного устройства. После усиления и преобразования сигнал на промежуточной частоте подается на специализированное вычислительное устройство, где производится его первичная обработка — временное накопление и вычисление его автокорреляционной функции. Результаты корреляционной обработки поступают в компьютер, где по ним определяются значения ионосферных параметров и выдаются данные на печать и на экран видеоконтрольного устройства.

Напряжение, возникающее на выходе приемной системы, представляет собой сумму напряжения шумов системы и напряжения собственно НР-сигнала. Поэтому задача определения АКФ сигнала сводится к нахождению разности между корреляционной функцией выходного напряжения и корреляционной функцией шумов. Вычисление их производится в цифровом коррелометре, подключенном к усилителю промежуточной частоты приемника. В этом случае корреляционная функция сигнала, входящая в состав корреляционной функции смеси сигнал-шум, оказывается умноженной на косинусоидальный множитель промежуточной частоты. Поэтому при задержках, кратных периоду этого множителя, искомая корреляционная функция получается без предварительного детектирования.

Рисунок 2 — Спектр и АКФ сигнала НР Поскольку обработка сигнала ведется в цифровом виде, исследуемое напряжение квантуется в аналого-цифровом преобразователе с тактовой частотой, кратной промежуточной стороне. Затем сигнал засылается в линии задержки, где задерживается, как было указано, на интервалы, кратные периодам промежуточной частоты. При наложении задержанного на время сигнала на прямой получается значение корреляционной функции, соответствующее величине этой задержки. В результате измеряемая корреляционная функция оказывается промоделированной множителем (1 — /T) * k (, h), характерным для взаимодействия зондирующего импульса длительностью T с объемно-распределенными рассеивателями, где k (, h) определяется свойствами распределения в пределах имп. объемах.

Изменяя задержку в необходимых пределах (которые определяются ожидаемым доплеровским уширением спектра НР-сигнала), можно получить в этих же пределах АКФ смеси сигнал-шум. Из информационных данных, представленных в виде АКФ, получают необходимую информацию. Эта информация описывает высотные зависимости концентрации ионов и электронов, а также высотные температурные зависимости ионов и электронов. Такая операция производится одновременно для всего диапазона исследуемых высот.

Рисунок 3

1. Постановка задачи

1.1 Анализ алгоритма функционирования системы накопления радара НР

Режим работы радара с длительностью излучаемого радиоимпульса и800 мкс используется в методе некогерентного рассеяния (НР) для определения параметров ионосферы на высотах выше максимума слоя F2 (до 1000км). При таком режиме излучения алгоритм первичной обработки позволяет проводить повысотное измерение с получением ряда нормированных автокорреляционных функций (АКФ) r (k, h) при шаге по высоте в несколько десятков километров, когда отсчеты уже можно считать статистически независимыми. Суть так называемой вторичной обработки и ее вычислительных методов заключается в том, чтобы по экспериментальным АКФ определять такие параметры ионосферной плазмы, как ионная и электронная температуры [Ti (h), Te (h)], компоненты ионного состава [O+(h), H+(h) и He+(h)], а уже с их использованием — электронную концентрацию Ne (h) и др.

Существуют аналитические выражения, связывающие физические параметры ионосферной плазмы с формой ее АКФ, полученной при некогерентном рассеянии зондирующей радиоволны. Проблема же состоит в том, что нам для обработки нужны обратные аналитические выражения, когда в роли аргумента выступали бы значения ординат АКФ. Ввиду отсутствия таких выражений и возникла необходимость в специфической обработке информации, известной под названием «решение обратной задачи». Суть этой обработки заключается в том, что, варьируя параметры, ЭВМ решает прямую задачу до тех пор, пока не будет подобрана оптимальная совокупность ее входных параметров. Под оптимальной подразумевается та, которая приводит к наилучшему совпадению выходных результатов, полученных при решении прямой задачи, с данными, полученными во время эксперимента.

Как показывает анализ, однозначное решение обратной задачи предполагает достаточную точность измерений АКФ сигнала НР. Однако все основные выводы в существующей теории некогерентного рассеяния сделаны в предположении, что плазма однородна в рассматриваемом объеме и стационарна. Реальные условия измерений не соответствуют таким предположениям, и сами измерения сопровождаются статистической погрешностью, связанной с наличием шумов при приеме слабого сигнала и с самой шумовой природой сигнала. Для повышения точности оценки параметров сигнала используется его временное накопление в течение десятков секунд или даже минут, с последующим высотно-временным сглаживанием результатов.

Для облегчения работы ЭВМ решение задачи разделено на два этапа. На первом из них по аналитическим выражениям рассчитывается набор (библиотека) теоретических АКФ для всех возможных вариантов сочетания ионосферных параметров (с заранее выбранным шагом по дискретизации и заданными предельными границами). При этом в первую очередь учитывается техническая возможность имеющейся вычислительной техники (объем памяти и быстродействие персональных компьютеров). Критерий — подготовленные таким образом автокорреляционные функции при решении обратной задачи должны обеспечить максимальную точность подобия при поиске соответствия между измеренными и теоретическими АКФ. Это подобие и рассматривается на втором этапе, когда проводится непосредственно сравнение каждой АКФ, полученной в аппаратуре, с библиотечным набором и выносится решение о наилучшем их согласии.

Ниже приведен график, иллюстрирующий получение мощности (огибающей) сигнала НР вдоль развертки дальности и накопление результата в N = 100 развертках.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 км

Рисунок 1.1 — Сигнал, рассеянный на тепловых флуктуациях электронной плотности ионосферы, его огибающая и результат накопления в N развертках

С помощью антенны на радиолокационном комплексе мы посылаем в ионосферу зондирующий сигнал, а затем отраженная смесь сигнал-шум поступает в приемное устройство, усиливается и с помощью АЦП преобразуется в эквивалентный цифровой код.

Каждому цифровому коду соответствует своя точка на верхнем графике рис. 1.1. Для наглядности эти точки соединяют и получают высотный ход сигнала до 2000 км. Из этих данных получают необходимую информацию об автокорреляционной функции (АКФ) сигнала НР. Эта информация образуется в специализированном вычислительном устройстве радара путем перемножения цифровых отсчетов в нескольких каналах и предназначена для дальнейшего определения высотной зависимости электронной концентрации, а также высотных температурных зависимостей ионов и электронов. Такая операция производится одновременно для всего диапазона исследуемых высот.

В процессе получения АКФ исходный массив обрабатывается по алгоритму, который описывается следующей формулой:

Если расположить вдоль высоты все полученные точки АКФ, полученные, например, в течении 1 мин, то они образуют вид, изображенный на рис. 1.2:

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 км

Рисунок 1.2 — Высотное распределение ординат АКФ (0…18 точки).

Результаты расчета ионосферных параметров представлены ниже, на рис. 1.3. Экспериментальные данные включают в себя как первичные данные (высотно-временное распределение автокорреляционных функций и спектра сигнала НР), так и вычисленные по ним вторичные данные (параметры ионосферной плазмы). Сюда относятся высотные вариации вертикальной составляющей скорости дрейфа плазмы Vdr (h, t), ионной Ti (h, t) и электронной Te (h, t) температур, а также электронной концентрации Ne (h, t).

В последнее время вычисляется и информация о высотно-временной зависимости ионов гелия He+(h, t), водорода H+(h, t) и кислорода О+(h, t), а также и данными о содержании тяжелых ионов М+(h, t) на малых высотах.

Рисунок 1.3 — Набор АКФ, спектров и некоторых ионосферных параметров, определяемых методом НР

Однако правильному определению параметров ионосферы мешают периодически появляющиеся отражения от летательных объектов в зоне действия луча радиолокатора, которые если имеют резко выраженный характер, то в результате наглядно искажаются результаты при вычислении всех ординат.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 км

Рисунок 1.4 — Отметка от цели на высоте на высоте ~1000 км

Ярко выраженный характер цели происходит при присутствии цели, например, в 50% от общего времени накопления сеанса. Если зафиксировать входной сигнал в нескольких расположенный друг за другом радиолокационных развертках дальности, то этот случай представлен на рис. 1.5.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 км

Рисунок 1.5 — Пример появления отражений от целей в некоторых развертках

В процессе расчета ионосферных параметров в этом случае на месте нахождения отражения возникает явно аномальный характер (перехлест температур и завышенные значения ионного состава):

Рисунок 1.6 — Пример явно неправильного расчета ионосферных данных на высоте 1000 км.

В случае же появления некоторой цели в луче радиолокатора в течение меньшего времени — 5%-10% от времени накопления — отражения на высоте ~1000 км вроде бы не заметно.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 км

Рисунок 1.7 — Пример появления слабых отражений от целей.

Однако расчет ионосферных параметров все так же показывает, что на этой высоте рассчитанные данные все равно имеют низкую точность измерений (рис. 1.8.).

Рисунок 1.8 — Пример слабо выраженного эффекта присутствия цели.

1.2 Предложение о введении дополнительного канала обработки

Вывод, который возникает в результате вышеприведенного анализа, состоит в том, что в процессе вычисления ионосферных сигналов необходимо осуществлять процедуру селекции сигнала от целей. Почти каждый накопленный сеанс обязательно будет содержать отклик от цели в явном или неявном виде, так как помеховая ситуация, напряженность которой иллюстрирует нижеследующая таблица о наявности метеорных потоков, еще и усугубляется загрязненностью космического пространства на высотах 500−1500км, где присутствуют космические корабли, спутники и всевозможный космический «мусор» .

Эта селекция, по-видимому, должна заключаться в такой процедуре, которая, насколько это возможно, не допустит накопления информации с тех высотных участков, где будут присутствовать отражения от летательных объектов. Для этого необходимо разработать и внедрить дополнительный, контрольный канал накопления, который будет работать в системе обработки радара некогерентного рассеяния параллельно основному каналу системы обработки, но по более упрощенному алгоритму (например, накопление только высотного распределения нулевой точки АКФ — мощности, или модуля сигнала). Период накопления и считывания дополнительной информации в этом канале будет задаваться с персонального компьютера.

Объем памяти винчестеров ПК сейчас таков, что он не позволяет запоминать сеансы очень короткой длительности, например, в несколько секунд. Обычно сеансы имеют длительность несколько минут, но и этот режим в течении нескольких непрерывных суток измерений уже является очень напряженным по объему запоминаемой информации. Если же по несколько секунд накапливать только огибающую сигнала НР, без остальных ее ординат, то это сократит объем контрольного канала в десятки раз и поможет оператору в процессе анализа основной информации иметь под рукой очень контрастное изображение о наличии отметок от цели на протяжении всех суток для проведения более достоверной обработки.

Предлагаемая схемная реализация, которую необходимо осуществить внутри блоков и устройств радара НР, приведена на рис. 1.9. После излучения сигнал, подаваемый с передающего устройства на излучатели антенны, после отражения поступает в приемный тракт радара, превращается с аналогового в цифровой вид и поступает одновременно как в основной, так и во вспомогательный контрольный канал. После накопления результатов вычисления АКФ в системе обработки и накопления модулей амплитуд в амплитудном накопителе он будет считан в персональный компьютер для дальнейшей обработки.

Блок генераторов и система управления радара предназначены для синхронизации всех устройств радара и обеспечения их согласованной работы во времени.

1.3 Обзор аналогичных устройств

Аппаратурная обработка сигнала НР после АЦП в настоящий момент на Харьковском радаре происходит с помощью специализированного устройства «Кентавр». Рассмотрим структурные особенности этого устройства, на базе которых и предложим построение отдельного контрольного канала. Его схема имеет следующий вид (см. рис. 1.10).

На устройство с приемника поступает сигнал на нулевой частоте fпр. Для тактирования работы устройства на него подается тактовая частота Fтакт, синтезируемая гетеродинами приемника. На выходе приемника установлены полосовые фильтры с прямоугольными амплитудно-частотными характеристиками, позволяющие выбрать ширину полосы пропускания приемника 10, 15 или 20 кГц в зависимости от величины соотношения сигнал/шум.

Вначале сигналы поступают на АЦП, а с его выхода сигнал в двоичном коде одновременно поступает на подканалы (первый из них — для определения мощности сигнала НР), в каждом из которых на перемножитель попадает как прямой сигнал, так и задержанный на некоторое время t (около 30 мкс).

Вычисленные ординаты поступают в сумматоры и запоминаются на протяжении 2000 км. Накопление результатов происходит от излучения к излучению на протяжении всего сеанса измерений. По окончании сеанса накопленные данные считываются в память компьютера, сумматоры обнуляются и сеанс повторяется.

По накопленным результатам затем с помощью персонального компьютера определяются распределения температур электронов и ионов и электронной плотности по высоте, спектральное распределение сигнала НР.

Блок-схема алгоритма обработки сигнала НР, реализуемая затем по накопленным данным, приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.10 — Структура соединений устройства «КЕНТАВР»

Рисунок 1.11 — Алгоритм обработки сигнала НР

2. Разработка амплитудного накопителя сигнала НР

2.1 Выбор и обоснование функциональной схемы устройства

Аналогично первому каналу системы обработки радара НР (накопление уровня мощности или уровня огибающей вдоль развертки) должен работать и новый контрольный канал, но только иметь программно управляемое время накопления результатов, более короткое, чем в основном канале. Структурная схема такого устройства предлагается на рис. 1.12. Он должен состоять из суммирующего устройства, буферного устройства, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), регистра адреса для перебора ячеек ОЗУ и устройства управления.

Суммирующее устройство предназначено для сложения 2 чисел: поступающих с АЦП и возвращаемых с ОЗУ для накопления в моменты времени вдоль высоты, которые задаются передним фронтом импульсов «Такт». При этом ОЗУ должно иметь возможность бланкироваться, или закрывать свой выход на время действия импульса «Обнуление» для очистки ОЗУ. Результат суммирования по заднему фронту импульса «Такт» заносится в ОЗУ взамен своего предыдущего значения, и в результате этого это может быть или увеличивающееся значение (в процессе обычной работы), или нулевое значение (в случае закрытого буферного регистра для очистки памяти в течении одной развертки дальности).

Оперативное устройство предназначено для хранения достаточного количества чисел, которые могут поступить вдоль радиолокационной развертки дальности. Если учесть, что числа поступают через 4 км, а высотный интервал, необходимый для исследования, расположен от 0 до 4000 км, то для этой цели потребуется не менее 1 Кслов. Зададим максимальный об’ъем ОЗУ в размере 4096 слов.

Разрядность чисел, поступающих с АЦП, равна 7 разрядов (старший разряд, знаковый мы не будем использовать). Коэффициент заполнения оцифрованной информацией этих 7 разрядов в среднем не превышает 0.25, что эквивалентно разрядности 24. Добавив еще 9 разрядов, получим результирующий эффект для такой выбранной нами 16-разрядной памяти как для 24+9=2048 обращений для ее полного заполнения.

Вычислим, достаточно ли будет это для нашего случая. Частота излучения посылок радара равна 50 Гц, т. е. 20 раз в секунду. В течении минуты состоится 20×60=1200 излучений, что меньше, чем 2048, но вполне достаточно для нашего случая. Вывод отсюда таков, что длительность сеанса накопления с использованием такого ОЗУ будет более минуты, что вполне достаточно согласно требованию технического задания к дипломному проекту.

Регистр адреса предназначен для изменения номера открытой ячейки от 0 до 4096 в ОЗУ согласно частоте поступления импульсов «Такт», устанавливаясь в исходное нулевое состояние каждый раз в начале новой развертки дальности (задний фронт импульса «Тизп»).

Сняв импульс начала сеанса накопления «Тсеанса» и остановив при этом счетчик, пользователь с персонального компьютера может запретить накопление данных в контрольном канале. Если же с ПК подать импульс «Считывание от ПК», то запрещается последующее накопление результатов в ОЗУ, т. е. в это время можно считать накопление данных в контрольном канале законченным и начать считывание информации.

Выходной результат из ОЗУ одновременно заведен также и на персональный компьютера, который должен иметь входной контроллер с возможностью подсоединения 16-разрядной шины, а также иметь выходы для программной выдачи оператором управляющих импульсов «Обнуление» и «Считывание от ПК» .

2.2 Разработка принципиальной схемы амплитудного накопителя

Ниже предложена к разработке и рассчитана принципиальная схема амплитудного накопителя, которая соответствует структурной схеме, изображенной на рис. 1.12.

Элементная база контрольного канала должна обеспечивать выполнение заданных функций пи возможно меньшей сложности аппаратуры, необходимое быстродействие и относительно простое сопряжение с аппаратурой радара НР. Так как в цифровых схемах используется напряжение сигнала в пределах 5 В, то для построения канала целесообразно использовать микросхемы серии ТТЛ. Представленным требованиям удовлетворяет наиболее распространенные серии К155, К531 и К565, в составе которых есть микросхемы с необходимыми функциональными возможностями. Микросхемы изготовлены по биполярной технологии и размещены в герметичном корпусе типа 2136.64−1 с вертикальным двухрядным расположением выводов.

Сумматор.

Сумматор предназначен для повысотного суммирования 7-и разрядного кода, поступающего с АЦП, с 16-и разрядным числом, хранящимся в ОЗУ и выдачи результата, которые будут занесены в те же ячейки оперативной памяти.

Схема электрическая принципиальная сумматора и остальных блоков амплитудного анализатора имеет вид, изображенный на чертеже 1. Так как типовые микросхемы обеспечивают действия с 4-разрядными числами, то для выполнения суммирования 16 разрядных чисел необходимо использование 4 корпусов. Первый элемент суммирования — это 4 микросхемы Д1… Д4 (К531 ИП3П). Для их связи необходим и общая схема быстрого переноса для сумматора — Д5 (К531 ИП4П).

Основные электрические параметры К531 ИП3П при температуре окружающей среды 25+100 следующие:

Технические характеристики К531 ИП4П имеют вид:

Роль буферных регистров выполняют ключи (Д6…Д9) — канальные регистры на 4 микросхемах К155ЛИ1, отпираемые импульсами «Считывание от ПК» .

Регистр адреса. Регистр адреса предназначен для формирования во время сеанса под воздействием импульсов синхронизатора радара кода адреса ячеек ОЗУ, в которые поступают данные для накопления. Для этой цели использован 4-разрядный счетчик на 3 микросхемах Д10… Д12 типа К155ИЕ7, который благодаря каскадному соединению корпусов реализует общую разрядность 212.

Основные электрические параметры К155ИЕ7 при температуре окружающей среды 25+100:

ОЗУ является полупроводниковой памятью емкостью 4К 16-разрядных слов и предназначено для хранения числовых данных. Оно состоит из 16 элементов памяти с логическими схемами адресации и управления (Д14…Д29). Адрес ячейки памяти необходимо от счетчика подать непосредственно на адресные входы «А1…А12» всех микросхем. Вслед за адресами требуется на вход СЕ установить сигнал Такт, который используется для запоминания информации. Кристаллы ОЗУ снабжены входом CS выборки кристалла, при подаче на который отрицательного импульса «Обнуление» его выходы закрываются.

Технические характеристики К565 РУ1А следующие:

Предельному электрическому режиму эксплуатации БИС соответствуют следующие условия: Ucc1 < 5,3 B, Ucc2 > -6,6 B, 0,2 B > U1 > -0,6 B, 0,2 B > Uref1,2 > -2,2 B, Il < 3 мА.

2.3 Описание работы принципиальной схемы

Работа схемы состоит в следующем.

На первые входы элементов «Аi» суммирования поступает число без знакового разряда — т. е. его модуль. На вторые входы «Bi» поступают числа, которые хранятся в ОЗУ и в данный момент времени находятся на его выходах «Fi». В каждом цикле счетчик адреса по переднему фронту импульса «Такт» устанавливается в новое положение. Когда с АЦП поступит результат от очередного участка дальности (также образованный по переднему фронту импульса «Такт»), к моменту появления заднего фронта этого импульса на входах ОЗУ уже установится результат суммирования, так как схема ускоренного переноса за долю мкс успеет передать информацию с корпуса на корпус. По этому фронту он будет занесен на то же самое место в ячейку ОЗУ, т. е. произойдет увеличение содержимого ячейки. К моменту появления следующих переднего и заднего фронтов импульса процедура повторится, но уже увеличится результат в следующей ячейке памяти — и так по всем ячейкам ОЗУ.

На адресные входы счетчика заведен начальный код ячейки ОЗУ, с которой в каждой развертке должно начинаться накопление — нулевой. Этот код в счетчике по серии Такт, поступающей на вход «+1» первого каскада, увеличивается на единицу на каждом высотном участке, достигая максимум 4096, а затем в начале новой развертки обнуляется по входам «R» .

Так как период следования импульсов «Такт» равно 4 мкс, а время цикла излучения (или период следования импульсов «Тизп» =20 мс, то всего будет обновлено до 1000 результатов.

3. Разработка режима считывания

3.1 Разработка алгоритма функционирования

Работа нового контрольного канала в режиме накопления модулей сигнала НР требует представления его алгоритма считывания накопленной информации. Ниже на рис. 3.1 представлен такой алгоритм, который описывает следующую процедуру.

Вначале ПК, на вход которого заведены синхронизирующие импульсы радара НР, ведет опрос импульса начала сеанса накопления «Тсеанс». После появления его единичного фронта обнуляется та область памяти ПК, которая отводится для хранения результатов считывания. Затем ПК ведет опрос импульса начала сеанса развертки «Тизп». После появления признака начала радиолокационной развертки дальности (передний фронт «Тизп») анализируется момент установки на выходе содержимого ОЗУ амплитудного анализатора, что происходит, как уже описано в п. 2.3, по переднему фронту импульса «Такт» .

Опросив выход ОЗУ и сохранив результат с данного участка дальности, ПК анализирует, все ли участки дальности уже прошли, или еще остались и принимает решение о возврате в начало радиолокационной развертки для следующего опроса, или выход в конец для нормировки результатов.

Нормировка представляет собой приведение принятых отсчетов, которые представляют сумму нескольких сотен, или тысячи чисел каждый, к виду, удобному для дальнейшего анализа. Если известно число разверток, которые составляют длительность сеанса, то необходимо результат на каждом участке разделить на это число.

После этого необходимо провести обнуление контрольного канала, которое позволит ему начать следующий цикл накопления результатов.

3.2 Разработка программного обеспечения

Для моделирования ситуации накопления и считывания результатов в виде модулей сигнала НР потребовалось создать программу, которая считывает данные, хранящиеся в памяти ПК в виде сеансов, так, как если бы они находились в ОЗУ контрольного канала, и проводит их повысотное накопление согласно алгоритму, заложенному в работу контрольного канала.

Одна из задач эффективного программирования заключается в выполнении следующих свойств:

—- написание компактных программ;

—- обеспечение необходимой скорости выполнения и экономное использование дисковой памяти;

—- максимальная реализация возможностей инструментального языка;

—- модульность.

Рассмотрим первые три характеристики. Для их выполнения обеспечиваются следующие условия: точное определение задачи, нахождение эффективного решения и правильное описание его алгоритма, а также анализ того, как алгоритм реализуется средствами выбранного языка, с учетом технических характеристик компьютера.

Модульный подход к программированию дает несколько преимуществ: пошаговая детализация программы, модульная программа может выполняться быстрее, особенно в тех случаях, когда отдельные её фрагменты вызываются не слишком часто, кроме того, программу с меньшим количеством строк легче исправить и отладить.

Выбранный алгоритмический язык обладает достаточными возможностями в использовании модульного программирования применительно к поставленной задаче. Приведенная в Приложении 1 программа написана на языке TURBO BASIC, ориентированы на применение ЭВМ типа IBM-PC с EGA монитором, оперативной памятью не менее 640 Кбайт, с операционной системой MS-DOS, начиная с версии 3.3.

Представленная программа имеет следующие шаги:

—- декларирование массивов:

—- считывание данных из сеансов;

—- накопление результатов с последующей их нормировкой;

—- визуализацию полученных графических зависимостей на экране монитора.

Приведенная программа после процесса ее отладки и проверки была использована для выполнения поставленной в работе задачи и показала, что алгоритм накопления для последующего анализа помеховой ситуации вдоль развертки дальности вполне работоспособен. Полученные из контрольного канала сеансы очень короткой длительности имеют очень различимые отклики от целей, которые были бы не видны в случае более длительного накопления. Использование их затем в процессе обработки основного результата позволит более надежно и достоверно проводить селекцию сигналов и устранять эти мешающие отражения.

4. Технологический раздел

4.1 Технология сборки амплитудного накопителя

Технологический процесс сборки амплитудного накопителя в случае его аппаратурного изготовления представляет собой совокупность операций, направленных на получение законченного функционального узла в виде субблока, предназначенного для установки в каркас. Сам синтезатор изготовлен на печатной плате. Применение печатного монтажа в радиоэлектронной аппаратуре и приборах повышает их надежность и обеспечивает повторяемость параметров от образца к образцу.

Для данного устройства необходима разработка двухсторонней печатной платы. В настоящее время для изготовления таких плат применяется комбинированный метод, который включает в себя два способа изготовления: негативный и позитивный. Для изготовления применяется комбинированный негативный способ. Технологический процесс получения двухсторонней печатной платы комбинированным негативным способом состоит из следующих этапов:

— получение заготовок и подготовка поверхности фольги;

— нанесение на плату защитного покрытия (фоторезиста);

получение изображения печатных проводников экспонированием и проявлением;

удаление незащищенных участков фольги травлением;

удаление фоторезиста с проводников;

нанесение на основание защитного покрытия;

обработка отверстий;

гальваническая металлизация отверстий и печатных проводников;

покрытие печатных проводников сплавом олово-свинец;

механическая обработка контуров платы.

Требования к основным технологическим операциям получения печатных плат определены ГОСТ 23 752–79; ГОСТ 23 663–79; ГОСТ 23 664–79; ГОСТ 23 665–79.

При сборке амплитудного накопителя особое внимание необходимо уделить монтажу транзисторов.

Общие технические требования:

1. Работы по изготовлению амплитудного накопителя — лужение, пайка, очистка от остатков флюса производить на рабочих местах, оборудованных вытяжной вентиляцией.

2. На рабочем месте должны находится материалы, инструмент, документация, необходимые для выполнения работы в соответствии с технологическими операциями.

3. Операции, выполняемые с полупроводниковыми приборами и узлами на их основе, выполнять только при наличии браслета заземляющего, надетого на запястье руки исполнителя.

4. Монтаж элементов производить электропаяльником с терморегулятором типа 92.02.33.007 36 В 45 Вт или ЭПЦН 40/36 В или паяльником без терморегулятора при условии обеспечения постоянной температуры стержня.

5. Проверку температуры рабочей части стержня электропаяльника, припоя в ванне для лужения производить до начала работы.

6. Стержень электропаяльника должен быть заземлен.

7. Рабочая часть стержня электропаяльника должна быть облужена и иметь ровную поверхность без заусенцев и раковин.

8. Рабочую часть стержня электропаяльника в процессе пайки очищать от нагара о хлопчатобумажную салфетку ГОСТ 11 680–76. Очистка рабочей части встряхиванием запрещена.

9. Использовать припой ПОС-40 (ПОС-60) ГОСТ 21 931;76 с применением бескислотного флюса.

10. Демонтаж элементов амплитудного накопителя производить только с разрешения ОТК и с последующей сдачей ОТК.

11. При демонтаже радиоэлемента не должны быть повреждены рядом расположенные радиоэлементы.

12. Маркировка радиоэлементов должна быть видимой.

13. Пайку полупроводниковых приборов и конденсаторов производить с помощью теплоотводов. Снимать теплоотвод не ранее 5 секунд после пайки.

14. При установке радиоэлементов подогнутые концы располагать вдоль проводников.

15. Выводы диаметром 0,7 мм, а также выводы многовыводных элементов более 4-х не подгибать.

16. Электромонтаж элементов на субблоке производить только в рамке поворотного приспособления монтажного стола.

17. Пайка должна быть скелетной, без пор, загрязнений, инородных включений и подтеков припоя, острых выступов и перемычек припоя.

18. Межоперационную транспортировку субблока производить в перчатках трикотажных.

4.2 Технология проверки блока

В случае необходимости измерения напряжений, токов, выдаваемых отдельными элементами, необходимо пользоваться для подключения генераторов, вольтметра, амперметра, осциллографа остроконечными щупами, так как замыкание рядом расположенных контактов может вызвать неисправность устройства.

При нормальной эксплуатации амплитудного накопителя обеспечивается постоянство параметров, не требующих регулировки в процессе работы в течение времени всего ресурса.

4.3 Технология изготовления деталей накопителя

Конструктивно устройство обработки радара НР размещено в нескольких стандартных стойках, в которые встроены модули и субблоки под разработанные печатные платы и есть места под платы контрольного канала. При изготовлении устройства выдержаны требования ГОСТ 25 123–82 «Порядок построения вычислительных машин и систем» и ГОСТ 24 750–81 «Общие требования технической эстетики». Для исключения деформации печатной платы используем каркасную конструкцию блока. Основу конструкции составляют литые алюминиевые рамки. Рамки скреплены между собой фигурными планками с вырезами для индивидуальных направляющих, позволяющих вставлять печатные платы. На направляющих находятся вилки электрических соединителей и элементы кодирования, предотвращающие неправильную установку печатных плат. Особое внимание следует уделить образованию жестких угловых соединений. Из полосовой стали изготавливается скоба, которая впоследствии полируется. Кронштейн для ручки и ручка изготавливаются из стальных прутков механической обработкой. Основание и крышка изготавливаются механической обработкой.

Кроме печатных плат в блоке находятся дополнительные конструктивные элементы, размещаемые на передней и задней панелях (элементы индикации, переключатели, разъемы). Внутриблочная коммутация выполняется с помощью объединительных проводов или накруткой. Для защиты от тепловых воздействий применяется естественное воздушное охлаждение.

Для защиты от воздействий влаги применяются малогигроскопичные и коррозийно-стойкие материалы.

4.4 Порядок установки

Шкафы с сублоками устанавливаются в закрытом отапливаемом помещении, в котором поддерживаются нормальные климатические условия согласно ГОСТ 16 325–76:

— температура окружающего воздуха, оС 20±1%

— относительная влажность воздуха при плюс 30оС,% 65±10%

— атмосферное давление, кПа (мм.рт.ст) 84−106,7(630−800)

Запрещается эксплуатация в помещениях с химически агрессивной средой.

Вибрация основания субблоков возможна с частотой до 25 Гц и амплитудой не более 0,1 мм.

4.5 Использование источников питания

Дли питания схем амплитудного накопителя требуется напряжение «+12в» и напряжение «+/- 5» при максимальном токе в нагрузке — до 1 А. Для этой цели не обязательно разрабатывать дополнительные схемы, которые обеспечивали бы выработку питающих напряжений. Воспользуемся имеющимися в составе задающей системы двумя стандартными источниками питания типа БПСП-6/2А, соединив их следующим образом:

Описание схем и работы блоков питания приведено в «Блок питания стабилизированный прецизионный БПСП. Инструкции по эксплуатации. 3102.087.000 ИЭ. — Харьков, ПО „Оргтехника“, 1985.-28с.» и «Блок питания стабилизированный БПС6−1. Паспорт 2.087.082 ПС. Приложение к техническому описанию. Эксплуатационные документы. — Центральный научно-исследовательский институт „Электроника“, 1979. — 156 с.»

4.6 Расчет показателей надежности амплитудного накопителя

Целью расчета показателей надежности является определение вероятности безотказной работы за 2000ч работы амплитудного накопителя по каждой выполняемых им функций.

Критериями отказов является сбой функционирования:

1) по функции преобразования входных аналоговых сигналов;

2) по функции программного включения и выключения технологического оборудования;

3) по функции программного включения и выключения сигнального оборудования и ручного оборудования;

4) по функции ввода параметров.

Закон распределения времени безотказной работы принимается экспоненциальный.

Вероятность безотказной работы для этапа нормальной эксплуатации, когда не сказывается износ, старение, усталость элементов определяется по формуле [24,25]:

где t — время работы, равное 2000 ч;

n — количество элементов схемы расчета;

эi — интенсивность отказов i-го элемента в условиях эксплуатации.

Интенсивность отказов в условиях эксплуатации в соответствии с отраслевой методикой Минэлектронпрома определяется выражением:

э = о * Кр * Кэ * Ку,

где o — интенсивность отказов изделий при испытаниях в режиме номинальных значений (предельно допустимых) электрической нагрузки и температуры окружающего воздуха;

Кр — коэффициент режима, характеризующий зависимость надежности от рабочих значений электрической нагрузки и температуры окружающей среды;

Кэ — эксплуатационный коэффициент, учитывающий влияние комплекса внешних воздействующих факторов;

Ку — коэффициент роста надежности, учитывающий уменьшение величины o результате систематических работ по повышению качества и надежности (на три года Ку=0.7).

Значения о, Кр, Кэ, Ку принимаются по справочным материалам Минэлектронпрома, а также учитываются данные и рекомендации ГОСТ 25 160−81, РТМ 25.446.81 и СТП 3РО-098−81.

Для достижения расчетных показателей накопителя в условиях эксплуатации наряду с соблюдением регламента технического обслуживания необходимо обеспечить технологическую приработку изделия на предприятии-изготовителе для выявления некачественных элементов.

Необходимое время приработки tпр определяется по формуле:

tпр = tg (1+½+1/3+…+1/ng),

где tg — средняя наработка на отказ каждого из дефектных элементов;

ng — среднее количество дефектных элементов амплитудного накопителя по рассчитываемой функции.

Таблица 4.1 — Расчет показателей надежности.

Расчет показателей надежности синтезатора частоты производится по логической схеме рис. 4.2 и данным, приведенным в табл.4.1:

Рис. 4.2 Логическая схема расчета надежности синтезатора частоты.

где 1…8 — по пунктам табл.3.1 соответственно.

В расчете не учитываются конденсаторы, установленные между шинами питания.

Вероятность безотказной работы синтезатора частоты Р (t) за 2000 час равна

поэтому

.

Средняя наработка на отказ при этом равна

Такая высокая надежность, безусловно, удовлетворяет потребителя. При правильной эксплуатации устройство обладает достаточной надежностью и не требует повседневного обслуживания. Для обеспечения нормальной длительной работы амплитудного накопителя необходимо проведение регламентных работ.

5. Технико-экономическое обоснование

5.1 Цель и назначение разработки амплитудного накопителя

В настоящее время остро стал вопрос о разработке и внедрении передовых технологий. Каждая разработка должна быть экономически выгодной, иначе потребность в ней отпадет. Поэтому необходимо уделять больше внимания технико-экономическому обоснованию проведенной разработки. радар некогерентный рассеяние накопитель Цель изготовления амплитудного накопителя — использование для дополнительного контроля во время основной процедуры обработки сигнала НР при исследовании процессов, происходящих в ионосферных слоях. Проект содержит функциональную и принципиальную схемы амплитудного накопителя, результаты работы которого необходимы для устранения отражений от летательных объектов. В записке представлено описание основных принципов, положенных в основу разработки устройства, а также его прототипы и аналогичные устройства.

Исследование ионосферы имеет важное народнохозяйственное и экономическое значение. Это обусловлено тем, что в результате регулярных наблюдений получаются прогнозные зависимости для температуры атмосферы, скорости и направления ветра, а также погоды в целом. Второй немаловажный аспект исследований ионосферы заключается в том, что от состояния атмосферы зависит качество, дальность и устойчивость радиоволн, телевизионное вещание.

Таким образом, своевременное предупреждение об изменениях в атмосфере на основании исследований ионосферы, дает возможность сохранять ресурсы, а также жизнь и здоровье людей.

Так как изделие амплитудного накопителя сигнала НР является исследовательским, то и рассчитано оно на узкий круг потребителей, сводящийся к лабораториям кафедр института ионосферы, на которых изучают ионосферные процессы и принципы радиолокации.

Годовой объем выпуска нового изделия: 1−2 экземпляра в год, потому что изготовление данного устройства является разовым заказом, то передача будет осуществляться заказчику в одном экземпляре.

5.2 Расчет себестоимости и цены изделия

Себестоимость представляет собой выраженные в денежной форме текущие затраты предприятия, научно-технических институтов на производство и реализацию продукции. В ходе производственно-хозяйственной деятельности затраты должны возмещаться за счет выручки от продажи.