Радиолокация. Радиолокационные цели. ЭПР

На практике наиболее часто приходится встречаться с  отражениями от гидрометеоров. Для  дождя, средний диаметр капель которого d0 величина уц=300d06/л4 и отношение  сигнал/помеха  
Отражение электромагнитных волн от гидрометеоров может быть использовано в интересах метеорологии в качестве полезных сигналов. С их помощью можно определить местоположение атмосферных образований, их интенсивность, а иногда и направление перемещения.  
2.4. Поверхностно-распределенные цели  
Примерами поверхностно-распределенных целей являются: травяной покров, лес, кустарник, пашня, волны на водной поверхности. В отличие от объемно-распределенных целей в данном случае трудно выделить отдельные отражающие элементы. Располагаясь случайным образом, они образуют сплошной поверхносnный слой, от которого происходит рассеянное отражение электромагнитных волн.  
Предположим, что в точке О (рис. 2.3, б) на высоте Н над поверхностью земли находится самолет. Антенный луч имеет в горизонтальной плоскости ширину и и облучает на поверхности земли сектор AD1D2.  
Будем считать, что РЛС излучает импульсы длительностью фи. Даже при неподвижной антенне облучение поверхности в секторе AD1D2 происходит не одновременно. Первый отраженный сигнал приходит через время ф= 2Н/с после зондирующего импульса (рис. 2.3, в). Далее, несмотря на импульсный характер излучения, на вход приемника РЛС непрерывно поступают отраженные сигналы. Это объясняется тем, что по мере распространения излученной волны отраженная волна возвращается от все более удаленных участков поверхности. Поскольку поверхность непрерывна, будет непрерывен и сигнал на входе приемника. В каждый данный момент времени действующий на вход приемника сигнал является результатом сложения сигналов, отраженных от элементарных отражателей, случайным образом расположенных в пределах разрешаемой площадки поверхности.  
По азимуту разрешаемая площадка ограничена шириной диаграммы направленности. Границы разрешаемой площадки по дальности зависят от длительности импульса фи и угла визирования в. Так, в нашем случае B1D1=сфи/2cos в.  
Величина эффективной площади рассеяния в случае однородной поверхности со случайным расположением неровностей пропорциональна площади S', формирующей в данный момент отраженный сигнал. Для того чтобы определить величину (уц, рассмотрим площадку S, перпендикулярную направлению падения волны. Через ее поверхность проходит вся энергия, отразившаяся от разрешаемой площадки B1B2D1D2. Разрешаемая на поверхности земли площадка имеет площадь S'=Rифиc/2cos в. Соответственно площадь поверхности, перпендикулярной линии визирования, S = S' sin в= (Rифиc/2)tg в. Зная S, можно определить величину уц, если ввести коэффициент рассеяния г, учитывающий влияние отражающих свойств земной поверхности:  
уц= (г Rифиc/2)tg в  
Характерным для поверхностно-распределенной цели является зависимость ЭПР уц от параметров радиолокационной станции фи и и, а также от расстояния до рассматриваемой площадки и от угла, под которым осуществляется ее визирование. В этом отношении свойства поверхностно-распределенной цели близки к свойствам объемно-распределенной цели. Как видно из последней формулы, отражающие свойства поверхностно-распределенной цели зависят от величины г. Зная г и другие параметры, характеризующие условия обзора, можно определить ЭПР и перейти к расчету интенсивности отраженного сигнала.

В ряде случаев  оказывается удобным характеризовать  отражающие свойства поверхностно-распределенной цели удельной эффективной площадью рассеяния, равной отношению ЭПР площадки нее площади S':  
у0ц = уц/S' == г sinp.  
На отражающие свойства поверхности и, следовательно, на величину уц влияют неровности поверхности, длина волны, угол падения (угол визирования) волны и ее поляризация, диэлектрическая проницаемость почвы.  
Все земные покровы, с которыми приходится встречаться на практике, можно, грубо говоря, разделить на гладкие и шероховатые. К гладким поверхностям относятся дороги с асфальтовым покрытием, бетонные покрытия и т.д. Для них интенсивность отраженного сигнала быстро уменьшается с уменьшением угла визирования и зависит от поляризации падающей волны. У шероховатых поверхностей размеры неровностей значительно превышают длину волны. Такой характер имеют участки местности, заросшие травой, посевы, заросли кустарника, лес и т. д. Исследования показывают, что у реальных шероховатых поверхностей величина г мало зависит от угла визирования в и поляризации. При этом для каждого типа земной поверхности величины г и у0ц обычно лежат в определенных пределах. Благодаря этому, например, по величине у0ц можно судить об общем характере местности, от которой приходят отраженные сигналы.  
Радиолокационные отражения от поверхности, покрытой растительностью, претерпевают сезонные изменения, обусловленные изменением содержания воды в растениях и в самой поверхности (изменением влажности), а также наличием или отсутствием снежного покрова. При наблюдении поверхностей, покрытых растительностью, отражение происходит от множества случайных отражателей (листья, стебли, ветки). Эти отражатели приводятся в движение ветром. Чем сильнее ветер, тем интенсивнее их движение. Кроме подвижных отражателей, существуют случайно расположенные неподвижные отражатели (скалы, стволы деревьев). Результирующий сигнал представляет сумму сигналов отражателей первого и второго рода.  
Если РЛС неподвижна, то отражения от перемещающихся элементов дадут флюктуирующую составляющую сигнала, а отражения от неподвижных элементов — стабильную,  
Заключение  
В ходе работы рассмотрены назначение и принципы радиолокации, часть основных терминов и определений, классификации целей по эффективной поверхности рассеяния.  
Введение: Радиоприемное устройство состоит из антенны , приемника и оконечного устройства. Радиолокационное приемное устройство (РПУ) входит в состав радиолокационной станции(РЛС). В радиолокации под приемным устройством понимают цепи, расположенные между выходами антенны и оконечного устройства, принимающего решение об обнаружении сигнала или оценке его параметров.  
Проектирование согласно ЕСКД включает в себя составление технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов.  
В техническом задании содержатся общие характеристики принимаемых сигналов и помех, качественные, конструктивные и эксплуатационные требования. На стадии технического предложения выполняют анализ тех. задания, осуществляют подбор литературы, приводят с сравнивают различные варианты структурных схем РПУ.  
На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают функциональную схему РПУ, составляют принципиальную схему и производят ее расчет, разрабатывают конструкции отдельных узлов и всего РПУ.  
При создании технического проекта составляют рабочие чертежи изготовляемых деталей, и самого приемника, выбирают технологию изготовления и т.д.  
1.Выбор моделей сигналов и помех.  
Передающее устройство импульсного локатора излучает в пространство импульсы электромагнитной энергии. Объекты, расположенные в пространстве, отражают эту энергию. Радио локационные сигналы , отраженные от целей, зависят от их свойств, а так же от свойств приемника и антенны.

Случайный характер параметров сигнала обусловлен взаимным перемещением РЛС и объекта, сложной формой ДОР целей и  заранее не предсказуемым его  положением в пространстве.  
Исходя из анализа тех. задания выбираем сигнал М-4, т.е. сигналы у которых амплитуда и фаза изменяется по случайному закону.  
Помеха G(t) на входе РПУ является случайным процессом. Она складывается с сигналом S(t) и на вход РПУ воздействует их смесь  
V(t) = S(t) + G(t)  
Из анализа тех. задания видно, что помехой , действующей в приемнике является белый шум.  
Для гауссовой помехи типа белого шума N(f)=const (энергетический спектр). Белым шумом являются внутри приемные шумы, радиоизлучения космических объектов.  
Радиоимпульс промодулирован по частоте , т.е. спектр такого сигнала сплошной.  
S(f)  
 
0 f Мгц

4.Пороговоеустройство.  
3.Определение основных качественных показателей и выбор структурной схемы РПУ:  
Радиолокационный приемник предназначен для усиления отраженных от целей сигналов и их дальнейшей обработки для выделения полезной информации. На вход приемника поступает смесь полезных сигналов и помех. Для полного использования полезной информации необходимо применять оптимальные алгоритмы обработки . При проектировании структурной схемы РПУ необходимо предусмотреть устройства , реализующие операции оптимального алгоритма принимаемых сигналов. Схема алгоритма обработки принимаемого сигнала указана на рис.2.  
Эту структурную схему алгоритма необходимо преобразовать в структурную схему устройства, технически реализующий данный алгоритм. Для этого требуется заменить все логические операции техническими устройствами , которые реализуют соответствующие логические операции.  
В качестве Фо применяют линейные фильтры, построенные на пассивных элементах. Технически проще реализовать фильтр Фо на промежуточной частоте (ПЧ). Для этого в схему РПУ перед Фо вводят преобразователь частоты, содержащий смеситель и гетеродин (СМ) и (Г) . В качестве квадратичного детектора (КД) применяют амплитудный детектор (АД).  
Пороговое устройство (ПУ) заменяют решающим устройством, а пороговое напряжение Uп задают исходя из вида критерия обнаружения. Для обеспечения работы РПУ в реальных условиях , когда параметры сигнала изменяются , в состав структурной схемы вводят такие устройства, как устройства автоматической подстройки частоты (УАПЧ), автоматическую регулировку усиления (АРУ) и т.д.  
Так как используется одна антенна на прием и передачу сигналов , для этого в схему введем антенный переключатель (АП).  
Для увеличения чувствительности и избирательности по зеркальному каналу перед смесителем включен усилитель высокой частоты (УВЧ) и входная цепь (ВЦ). Для обеспечения работы в динамическом диапазоне входных сигналов в состав РПУ включают устройство временной автоматической регулировки порога (АРП). Для частотной автоподстройки в схему вводят смеситель (СМ2) и усилитель промежуточной частоты (УПЧ2), различитель (РЗ) и управитель (У). Сигнал от передатчика (ПРД) через делитель мощности подают на СМ2 . В схему вводят АП.  
Сигналы с выхода КД подают на видеоусилитель ( ВУ ), а затем на индикатор (ИНД), с помощью которого оператор РЛС осуществляет визуальное наблюдение. Общую синхронизацию осуществляют с помощью синхронизатора импульсов (СИ), которые запускают ПРД, ИНД и схему ИАРУ.  
 
Расчет основных параметров структурной схемы.  
Исходныеданные:  
Рабочая частота 17.5Ггц  
Коэффициент шума 6  
Суммарная нестабильность частоты радио линии 10 Е-7

Ширина спектра  сигнала 710Кгц  
Будем искать шумовую полосу пропускания приемника и исходя из значения допустимого коэффициента шума. Выберем типы каскадов.  
 
Полоса пропускания приемника, необходимая для приема сигнала, складывается из полросы энергетического спектра одиночного сигнала,  
2fд max - полосы, учитывающей доплеровское смещение частоты и Пнс- запас полос частот для учета нестабильности и неточной настройки.  
Ппр=Пс+Пнс+(2fд max)  
Пс- ширина спектра сигнала .  
Пс= 0,71 Мгц  
Пнс= 2fс fнс  
fнс- суммарная нестабильность частоты радио линии.  
Пнс= 21.7510Мгц10= 3.5 Кгц  
Примем максимальную скорость цели Vmax= 600, тогда  
2fд max= 22Vmaxfc  
c  
2fд max= 2260017500/ 310= 0.14 Мгц  
Ппр= 710+ 140+ 3.5= 853.5 Кгц  
Т.к. Пнс / Ппр 0.1- 0.2 , то в состав РПУ можно не включать систему АПЧ.  
Шумовая полоса пропускания приемника:  
Пш= Ппр1.1 = 853.51.1= 940 Кгц  
Шп= 6  
Исходя из этого, выясним нужно ли использовать УВЧ.  
При его отсутствии Шп= Шпч + Шупч-1  
Крпч  
где Шпч- коэффициент шума преобразователя частоты.  
Шупч- коэффициент шума УПЧ (усилителя промежуточной частоты).  
Крпч- коэффициент передачи по мощности ПЧ.  
Шпч= 3.5- 10 (для балансного ПЧ на п/п диоде).  
Шупч= 1.5- 2(для малошумящего транзистора).  
Крпч= 0.1-0.5(для малошумящего транзистора).  
Шп= 5+(2-1)/0.5= 7 Шп(Шпдоп  
Значит в схему необходимо ввести усилитель высокой частоты (УВЧ).  
Т.к. Шпдопдостаточно мал, то в качестве УВЧ используют диодный параметрический усилитель на полупроводниковом диоде без охлаждения.  
В качестве преобразователя частоты (ПЧ) можно использовать балансный ПЧ  
на полупроводниковом диоде.  
4.Определение качественных показателей структурных узлов схемы.  
В предыдущем разделе установлено, что для получения необходимого  
коэффициента шума в тракт РПУ необходимо ввести УПЧ.  
Рассчитаем чувствительность приемника.  
Рап=NoRТоПш  
где R=1,3810Дж/град.  
Пш- шумовая полоса линейной части приемника (Гц).  
То- температура шумов в антенне.  
No- коэффициент шума.  
Рап= 62001,381094010= 15.510Вт.  
Рассчитаем коэффициент передачи тракта РПУ.  
Детектор работает при малых напряжениях.  
Допустим, Uвых= 0.1В  
Определим напряжение на входе УВЧ (Uвх).  
Примем Rвх(УВЧ)= 500 Ом.  
Uвх ш=  
Uвх ш= = 2.810В  
Коэффициент передачи линейного тракта:  
Кус= = 3.610  
Если коэффициент шума УВЧ = 1.3 табл.6.2 [1], то  
 
Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч, где  
Шп- коэффициент шума РПУ,  
Шувч- коэффициент шума УВЧ,  
Шупч- коэффициент шума УПЧ,  
Крувч, Крпч- коэффициент передачи по мощности УВЧ и ПЧ.  
Шп= Шувч+ [(Шпч-1)/Крувч] +[(Шупч-1)/КрувчКрпч  
Шп= 1.3 + 9/ Крувч + 10/ Крувч = 3

Значения (Шпч-1) и (Шупч-1) выбраны по таблице 6.2 [1].  
Крувчmin = 20.  
Достаточный коэффициент передачи УВЧ: Кувч = 6.  
На УПЧ происходит основное усиление. Рассчитаем коэффициент усиления для УПЧ.  
Кпч0.8, Кувч= 6.  
= Кпч Кувч Купч.  
Купч= / Кпч Кувч = 8/6.08 = 1.6  
Теперь предварительно установим, сколько каскадов усиления будет иметь УПЧ.  
Купч= ( К1упч ) , где n- число каскадов .  
n = log к1упч К упч  
К 1упч 20 для fпч = 35 Мгц и ПС = 0.8 Мгц  
n = log20 1.610= 4  
Предварительно число каскадов УПЧ- четыре.  
В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями частотного зеркального и соседнего каналов. Ослабление по зеркальному каналу обеспечивает преселектор, а соседнего канала - УПЧ.  
Ослабление по симметричному каналу заданно: 20дб.  
Требования к избирательности по симметричному каналу не высокие, поэтому  
в УПЧ как фильтры распределенной избирательности, так и фильтры сосредоточенной избирательности.  
Итак, ВЦ- входная цепь, входящая в состав структурной схемы РПУ, представляет собой устройство защиты приемника от просочившихся сигналов.  
Для обеспечения необходимого коэффициента шума в схему в качестве УРЧ вводится усилитель на параметрическом диоде, на который нагружен полосно-пропускающий фильтр, или устройство подавления зеркального канала. Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Преобразователь частоты преобразует частоту сигнала на промежуточную частоту fпч=35 Мгц (по Т.З.), на которой происходит основное усиление сигнала. Демодулятором служит АД (амплитудный детектор), за которым включается видеоусилитель. Для подстройки частоты гетеродина используется устройство частотной автоподстройки (УЧАП).  
 
Рис. 4.  
Структурная схема проектируемого РПУ.  
5. Проектирование СВЧ блока.  
В блок СВЧ входят: АП, УВЧ, УЗП, УПЗК, СМ, гетеродин.  
5.1. Проектирование АП.  
С помощью антенного переключателя осуществляют подключение антенны к тракту передатчика и запирание приемника на время излучения, а после окончания действия импульса- подключение с минимальной задержкой выхода антенны к выходу приемника и отключения тракта передатчика.  
При большой импульсной мощности сигнала АП строится по следующей схеме: ферритовый циркулятор, газовый разрядник, диодный резонансный СВЧ- ограничитель.  
Циркулятор- устройство, обладающее следующими свойствами: при подаче сигнала на плечо 1 циркулятора, выходной сигнал появляется в плече 2 с очень малым ослаблением (0.2- 0.5Дб), в то время как он в плече 3 он существенно ослабляется (13-25Дб). Аналогично при поступлении в плечо 2 сигнала, он появляется в плече 3 и не проходит в плечо 1.  
В АП сигнал от передатчика поступает на плечо 1 циркулятора Ц1 и через плечо 2 поступает в антенну. Лишь небольшая часть мощности сигнала проходит на плечо 3 и через циркулятор Ц2 попадает на вход разрядника ограничителя (ГР). Разрядник создает в линии передачи практически короткое замыкание и СВЧ сигнал, отражаясь от него в направлении к циркулятору Ц2 поглощается в согласованной нагрузке Rн, чем достигается защита УВЧ от выжигания. Процесс зажигания ГР в начале каждого импульса возникает с задержкой 10с. В течении этого времени через ГР проходит значительная энергия СВЧ колебаний. Выделяющаяся энергия СВЧ может вывести из строя или необратимо ухудшить параметры диодов СВЧ. Для предотвращения этого после ГР ставится резонансный СВЧ ограничитель, включаемый в основную линию через отрезок линии длиной L=(/4. Ограничитель представляет собой параллельное соединение разомкнутого емкостного шлейфа С1, последовательного соединения ограничительного диода Д и коротко замкнутого шлейфа L2 (рис.6).