Мир Знаний

Проектирование радиолокационной станции для обнаружения надводных целей в пределах речного шлюза (стр. 3 из 14)

Из рисунка видно, что длина волны λ=4 см находится правее минимальной энергии для необходимого расстояния и не требует больших энергетически затрат.

Положение цели в зоне обзора будет находиться по двум азимутальным углам, определенным передающей и приемной сканирующей антенной, и базису – расстоянию между этими антеннами.

Определим мощность излучения, необходимую для обнаружения целей с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги на требуемом расстоянии. Это не сложно сделать, воспользовавшись уравнением дальности для двухпозиционной системы [8]:

(2.1.3)

где Pt –мощность передатчика РЛС;

Rmax – максимальная дальность обнаружения целей;

Gt – коэффициент направленного действия передающей антенны;

Gr – коэффициент направленного действия приемной антенны;

λ – длина волны;

Pt – мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника;

σц – эффективная площадь рассеяния цели (по таблице 2.2 из [11] для лодки σц=5 м2).

Рассчитаем недостающие составляющие в уравнение (2.1.3).

Мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника или пороговый сигнал обнаружения выразим через характеристики приемника:


где q – отношение сигнал/шум на входе приемника, необходимое для обнаружения целей с заданными вероятностями;

k0 – постоянная Больцмана 1,38·10-23 Дж/К;

Fs – коэффициент шума (для большинства приемников равен 6…9);

0 – температура окружающей среды 290 К;

Вn – шумовая полоса пропускания преддетекторного фильтра приемника;

Так как вероятность правильного обнаружения Рпо=0,95 и вероятность ложной тревоги Рлт=10-4, то по рис. 4.3 из [11] определяем отношение сигнал/шум q=32 дБ или q=1585. Зададимся шумовой полосой пропускания приемника, Вn=±100 Гц, так как скорость движения целей в шлюзе не превышает 2 м/с, то максимальный доплеровский сдвиг при длине волны l=0,04 м составит fд=100Гц.


Рассчитаем коэффициент направленного действия передающей и приемной антенны по формуле [9]:

где Sэф – эффективная площадь раскрыва антенны равная Sэф=0,25·π·l1· l2, l1 и l2 линейные размеры антенны.

Таким образом, с учетом вышеприведенных соотношений, уравнение дальности примет вид:


Мощность передатчика составляет 30 мВт.

Радиолокационная система будет производить последовательное сканирование зоны обзора. Местоположение цели будет определяться по пересечению узконаправленных лучей диаграмм направленности приемной и передающей антенн. На каждый элемент разрешения передающей антенны приходится один период обзора приемной антенны (см. рис. 2.1.2).

Рисунок 3.2 –Метод обзора шлюзовой камеры

Чтобы определить период обновления информации зададимся периодом обзора приемной антенны. Пусть он равен Тобз. пр.=1 с, так как меньший период обзора сложно будет реализовать ввиду инерционных свойств антенны, а увеличение периода обзора негативно влияет на время обновления информации.

Таким образом, если Тобз. пр.=1 с, и за это время передающая антенна должна “освещать” один элемент разрешения по азимуту, то:

(3.4)

где Фаз – зона обзора по азимуту;

θаз – разрешающая способность по азимуту.

Период обзора передающей антенны равен времени обновления информации на индикаторе.

Из (2.1.4) следует что, время облучения цели равно Тобл.=1 с, а время наблюдения отраженного сигнала Тнаб.=1/45=0,022 с.

Из произведенных расчетов видно, что тактико-технические характеристики не противоречат техническому заданию и сравнимы с параметрами аналогичных РЛС, рассмотренных в первой главе.

3.2 Расчет влияния отражений от поверхности воды

Проектируемая радиолокационная станция осуществляет наблюдение за объектами внутри шлюза.

При обзоре водной поверхности, поступающие на вход РЛС отраженные сигналы, несут информацию как о находящихся в зоне обзора объектах, так и о физических свойствах водной поверхности, что в данном случае является нежелательным фактором. Необходимо учитывать отражения от водной поверхности.


В данном разделе произведем анализ отражений радиолокационного сигнала от водной поверхности, для чего воспользуемся коэффициентом отражения γ0, значения, которые приведены в таблице 2.1 [9]. Для водной поверхности коэффициент отражения равен γ0= -40 дБ. Зная это можно определить удельную эффективную площадь рассеяния воды:

где φн – угол обзора поверхности (в данном случае воды).

Максимальный уровень помех в результате отражения радиолокационного сигнала от поверхности воды возникает при наибольшей эффективной площади рассеяния, то есть в случае наибольшей “освещаемой” поверхности или при наихудшей разрешающей способности.

Рисунок 3.3 – Элемент обзора РЛС

Найдем максимальную площадь водной поверхности, которая одновременно попадает под обзор радиолокационной станции, это происходит при обзоре наиболее удаленной части шлюзовой камеры. Площадь образуется в результате пересечения диаграмм направленности приемной и передающей антенны на противоположном краю шлюза (см. рис. 3.3).


Из рисунка видно, что площадь:

где из геометрических формул:

тогда:

где:

учитывая вышеизложенное:

И так, эффективная площадь рассеяния участка воды, площадь которого dS, составляет (угол обзора φн лежит в пределах 10…90˚, выбираем максимальное значение):

Как видно, эффективная площадь рассеяния воды гораздо меньше эффективной площади рассеяния целей, которые необходимо обнаруживать. Следовательно, мощность, отраженного от водной поверхности, радиолокационного сигнала будет много меньше полезного сигнала.

Проведя подобные же расчеты для стен шлюзовой камеры, коэффициент отражения γ0 для которых (для бетона γ0= -32 дБ) тоже очень мал, можно убедится, что эффективная площадь рассеяния целей гораздо больше ЭПР стен шлюза и отражения от них не повлияют работу радиолокационной станции.


Найдем из (2.1.3) мощности шумового сигнала на входе приемника:

Мощность полезного сигнала на входе приемника:

Зная значения мощностей шума и полезного сигнала на входе приемника можно найти их отношение и сравнить с требуемым.

что удовлетворяет требованию к отношению сигнал/шум, которым мы задавались при предварительном расчете тактико-технических характеристик. Это говорит о том, что на фоне шумового сигнала, отраженного от водной поверхности, радиолокационная станция будет различать необходимые цели с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.

4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС

4.1 Разработка структурной схемы передатчика

Произведем разработку структурной схемы радиолокационной станции с учетом требований к ее функциональным обязанностям. РЛС должна обнаруживать надводные цели с эффективной площадью рассеяния большей заданной и определять, в случае движущихся целей, их скорости и направление движения.

Как было сказано ранее, радиолокационная станция работает в режиме непрерывного излучения. Передатчик РЛС излучает в пространство немодулированные колебания с частотой f0=7,5 ГГц и мощностью P=30 мВт. В передатчике осуществляется генерация заданной частоты и усиление.