4. Выбор и обоснование методов измерения координат с требуемой точностью.

Обнаружитель движущихся целей (ОДЦ) включает в себя следующие преобразования.

Рисунок 4.1 Структурная схема ОДЦ

После обработки в фазовых детекторах и АЦП, информация поступает в запоминающее устройство, где она должна хранится в течение времени, равного времени когерентной обработки n - импульсной последовательности. В течение этого времени осуществляются доплеровская фильтрация сигналов (ДФ) и сравнение их с пороговыми уровнями. Для каждого элемента разрешения, где обнаружено превышение порога, выдается информация о дальности, азимуте. Эти данные поступают в блок корреляции и интерполяции (БКИ), где производится корреляция их с отметкой цели, а затем привязка их по дальности и азимуту. Эти сигналы от целей сравниваются с фиксированными и адоптивными порогами в устройстве формирования адоптивных порогов (УФАП). Сигналы, превысившие порог, считаются отметками целей. Окончательная обработка сигналов осуществляется в блоке меж обзорной корреляции (БМК)

Основным устройством в ОДЦ является набор доплеровских фильтров. В одном из доплеровских фильтров, который соответствует нулевой доплеровской частоте, для установки порога используется усредненный по времени сигнал, поступающий от устройства формирования карты пассивных помех. Ширина полосы пропускания этого фильтра равна той части доплеровского спектра, которая не перекрывается характеристиками остальных фильтров. Доплеровские частоты целей, выбранные для этих фильтров, равномерно распределяются в пределах заданной общей полосы.

В фильтрах, соответствующих ненулевым скоростям, для установки порогов используется устройство для стабилизации уровня ложных тревог со скользящим по дальности окном.

Обработка радиолокационной информации после обнаружения сигналов целей состоит в идентификации и интерполяции сигналов целей, сравнения их с фиксированными и адаптивными порогами и меж обзорной корреляции. Все эти процедуры имеют своей единственной целью устранение ложных тревог.

Операция установки порогов в зависимости от азимута при постоянной дальности предназначена для устранения отметок, обусловленных помехами от местных предметов или наземного транспорта, амплитуды которых превышают те значения, на которые настроены доплеровские фильтры. Это реализуется с помощью карты помех. Карта помех содержит запоминающее устройство, которое используется для запоминания кодированных величин, определяющих выбор

одного из двух различных порогов и соответствующих весовых коэффициентов доплеровских фильтров. В некоторых областях зоны обзора, занимаемых помехами, должны использоваться весовые коэффициенты, учитывающие спектр остатков помех, обусловленных модуляцией за счет поворота ДНА по азимуту. Для устранения помех от наземного транспорта используются другие весовые коэффициенты. Отметки сравниваются с указанными порогами до проведения корреляционной обработки сигналов целей.

Сигналы поступают на вход устройства меж обзорной корреляции. В этом блоке алгоритм сопровождения цели используется для устранения ложных отметок, положение которых меняется от обзора к обзору не так, как для отметок от цели.

После того, как мы определились с методом измерения, рассчитаем необходимые параметры сигнала для измерения дальности до цели. Разрешающая способность по дальности накладывает ограничение на максимальную длительность импульса :

(4.1)

В сантиметровом диапазоне волн дальность действия РЛС ограничивается зоной прямой видимости. Необходимо проверить, сможем ли обеспечить в проектируемой РЛС заданную дальность действия с учетом кривизны Земли. Её находим по формуле [3.стр.414,]:

(4.2)

Поскольку максимальная дальность до цели равно 200 км – то есть меньше потенциально достижимой, мы можем работать на заданное расстояние.

Определим теперь значения среднеквадратических ошибок определения азимута и дальности цели. В техническом задании нам заданы вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги. Исходя из этих значений, определим необходимое минимальное отношение сигнал/шум по следующей формуле.

(4.3)

Отсюда:

(4.4)

Зная отношение сигнал/шум, определим ошибки измерения дальности и азимута цели:

	(4.5)
	(4.6)

Выбор оптимальной рабочей волны () был осуществлен в П.3, учитывая ограничения. Для этой волны рассчитаем потенциальную разрешающую способность по азимуту _ .

(4.7)

Значение апертуры антенны D_а –рассчитано ниже в П.5.

Для обеспечения разрешающей способности по дальности уменьшим _и до 0.9 мкс. Рассчитаем потенциальную и системную ошибку по дальности:

	(4.8)
	(4.9)

Методы измерения координат выбраны, произведены оценки ошибок и необходимых параметров зондирующих сигналов. Выберем теперь антенну.

5. ВЫБОР ТИПА АФУ И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

Тип АФУ нами уже был выбран исходя из назначения РЛС и условий эксплуатации. Укажем уже определённые параметры и рассчитаем остальные.

_0.5=1,5⁰ -- ширина ДН в азимутальной плоскости;

_0.5=60⁰ – ширина ДН по углу места;

Так как была уже выбрана оптимальная длина волны, зная необходимую ширину диаграммы направленности по азимуту, можно рассчитать горизонтальный размер антенны:

(5.1)

Вертикальный диаметр можно выбирать из соотношения 1/2; 1/4; 1/6;

Выберем соотношение диаметров 1/2.

Тогда КНД

(5.2)

где S_пр -- площадь раскрыва антенны

(5.3)

где и -- геометрические размеры антенны.

Подвод энергии осуществляется по прямоугольному волноводу. Вращение антенны осуществляется электродвигателем. Для этого в соответствующей плоскости имеется переход с прямоугольной формы волновода на круглую и обратно. Для развязки трактов приемника и передатчика применяется ферритовый циркулятор со следующими параметрами:

-- быстродействие -- 10 мкс;

-- развязка – 60 дБ.

Определим минимальное рабочее расстояние (мёртвую зону):

(5.4)

6. ВЫБОР МЕТОДА ГЕНЕРАЦИИ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА

И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ОТРАЖЁННЫХ СИГНАЛОВ.

С помощью магнетрона генерируем радиоимпульс длительностью 0.9 мкс.

Требуемая мощность для работы на заданной расстояние, рассчитывается в П.7. После чего выберем вариант с минимальной требуемой мощностью.

Для обработки пачки импульсов применим следующий алгоритм:

Выносить решение о наличии цели будем по определённому количеству импульсов, превысивших порог. Количество импульсов в пачке зависит от времени облучения одной точки пространства. Это время, в свою очередь, зависит от _0.5 и скорости сканирования. Сканировать всё доступное пространство будем за 20 секунд (=Ф _/ t _обл = 18 град/с.), что вполне допустимо. Тогда время облучения определим по следующей формуле:

мс (6.1)

Определим максимальное время задержки ответа.

мс (6.2)

где k_з=1.2 – коэффициент запаса (при благоприятных условиях проектируемая РЛС возможно сможет обеспечить заданную в техническом задании дальность).

Частота повторения импульсов равна:

Гц (6.3)

Период повторения импульсов берём равным времени задержки.

Теперь можем найти максимальное количество импульсов (период повторения импульсов берём равным времени задержки):

шт. (6.4)

Найдём оптимальное число импульсов, которые должны превысить порог, чтобы мы вынесли решение о присутствии цели:

импульсов. (6.5)

Рассчитаем количество элементов разрешения за обзор и объём требуемой памяти для их хранения.

шт. (6.6)

На каждый элемент выделяем 1 бит для записи результатов всех эхо сигналов.

бит (6.7)

Переведём в байты:

байт (6.8)

По современным меркам это не большой объём памяти, а сохранение всех результатов за обзор позволяет ЭВМ проанализировать, сравнить с предыдущим и последующим обзором, выдавать больше правдивых данных о целях. Можно хранить данные за несколько обзоров, строить траекторию движения целей.

Современные мониторы имеют очень хорошие показатели (d_п=0.28 мм, размеры экрана от 15 дм до 21). Выбираем 15 дм монитор, работающий в графическом режиме 12001200 точек. Часть экрана отведём для вывода шкал по азимуту и дальности, точных координат выбранной цели и прочего. Кстати, поскольку есть возможность выводить координаты цели, то ошибки индикатора не будет, но мы произведём расчёт ошибки для графического вывода целей:

(6.9)

м (6.10)

Для вывода одиночной цели используем 33 пикселя (75м  1.2⁰⁾ и рабочую площадь 10001000 пикселей. Значит на мониторе будет сектор со следующими размерами:

м (6.11)

⁰, (6.12)

что позволит выводить распределённую цель, не разрывая её (если цель по азимуту длинная, то возможно, что она будет разорвана в точке =360⁰).

Посчитаем получившуюся погрешность измерения координат:

(6.13)

м, (6.14)

что не превышает заданных.

Если использовать цветной монитор, то контрастность цель/фон, цель/цель (разные цели – разные цвета ) увеличится.

Выбор сектора для вывода на монитор осуществляется с помощью манипулятора типа ‘трекбол’.

7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РЛС.

Рассчитаем коэффициент шума:

N_ш= N_{ш_увч}+ (N_{ш_пч}-1)/K_УВЧ (7.1)

Учитываются первые два каскада т.к. вносимый коэффициент шума остальных каскадов незначителен.

Из графиков определим значения шумовых температур для наиболее распространенных устройств СВЧ при f₀=10 ГГц.

Неохлажденный параметрические усилитель Т_ш=300К, N_{ш_увч}=1+T_ш/T₀=2.03 , K_УВЧ200

В качестве преобразователя применим балансный диодный смеситель со следующими шумовыми параметрами: Т_ш=2000К, N_{ш_пч}=1+T_ш/T₀=7.9, где Т₀=290К

тогда

N_ш= N_{ш_увч}+ (N_{ш_пч}-1)/K_УВЧ=2.03+7.9/200=2.07 (7.2)

Определим коэффициент различимости для одного импульса.

Ранее уже было определено значение отношения сигнал/шум в зависимости от вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги. Тогда коэффициент различимости равен:

(7.3)

В РТС существуют потери:

_детек = 2.2 дБ  1.65 – потери на детекторе;

_кон =1.14 – потери, вызванные заменой оптимального контура на квазиоптимальный;

_дискр = 4 дБ  2.51 – потери на дискретизации;

Суммарный коэффициент различимости равен:

(7.4)

Определим теперь необходимую энергию импульса зондирующего сигнала:

(7.5)

где К_р =25.12 – коэффициент различимости.

k=1.3810^-23 Дж/К — постоянная Больцмана,

Т₀=290 К — температура окружающей среды,

К_ш=2.07 - коэффициент шума приемного устройства.

Тогда : (7.6)

Цифра получилась слишком большая, поэтому переходим к сигналу - когерентной пачке импульсов с внутриимпульсной модуляцией типа ЛЧМ.

Определим коэффициент различимости.

Определим из коэффициент различимости для N_c=10, при D=0.9, F=10^-7, когерентная пачка.

k_р=4 дБ, k_р=3,16 ;

Энергия импульса зондирующего сигнала: (7.7)

На выходе фильтра сигнал ‘ сжимается’ в базу раз. Возьмем Базу для ЛЧМ равной 100, тогда

(7.8)

Тогда (7.9)

Как видно мощности получаются слишком большие. Поэтому мы вынуждены уменьшить импульсную мощность до приемлемых значений. Для этого, зададимся импульсной мощностью. На клистроне реально получить импульсную мощность в 60 КВт. От неё мы и будем отталкиваться при расчете.

Среднюю мощность усилительного прибора найдём по следующей формуле:

кВт (7.10)

Требуется проверить – будет ли РЛС работать на заданное расстояние:

км (7.11)

где

k_ш =2,07 – коэфф. шума;

k = 1.38 10^-23 -- постоянная Больцмана;

T₀ = 290 К – температура окружающей среды;

Найдём среднеквадратичные ошибки измерения азимута и дальности:

Для этого определим суммарное отношение сигнал/шум:

q_=q₁N_опт=17,45=87 (7.12)

⁰ (7.13)

м (7.14)

Что меньше допустимых по техническому заданию.