Хомяков Толкалин 12_end_3
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
А.В. Хомяков, Л.Н. Толкалин
НЕПРЕРЫВНЫЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ
СИГНАЛЫ В РЛС
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
2012
1
УДК631.396
Хомяков А.В., Толкалин Л.Н. Непрерывные гармонические сигналы в РЛС: Учеб. Пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. – 176 стр.
ISBN 978-5-7679-2112-6
Рассмотрены технические возможности непрерывных гармонических сигналов в радиолокационных станциях (РЛС). Выполнен анализ преимуществ и недостатков станций непрерывного излучения. Даны методы расчета радиолокационных каналов, точностей измерения координат и разрешающих способностей. В процессе теоретического анализа предпочтение отдается инженерным методам и подходам. При этом широко используется личный опыт авторов – разработчиков ре-
альной аппаратуры. Книга может быть полезна студентам, аспирантам и практическим инженерам.
Ил. 64. Табл. 4. Библиогр. 22 Печатается по решению библиотечно-издательского совета Тульско-
го государственного университета.
Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. Н.С. Акиншин д-р. техн. наук, проф. В.Л. Румянцев
|
© Хомяков А.В., Толкалин Л.Н. 2012 |
ISBN 978-5-7679-2112-6 |
© Издательство ТуГУ, 2012 |
|
2 |
Непрерывные гармонические сигналы в РЛС |
|
Оглавление |
|
Список основных сокращений....................................................... |
7 |
Введение ............................................................................................ |
8 |
Области применения РЛС .......................................................... |
9 |
Общее характеристики РЛС..................................................... |
15 |
Достоинства и недостатки........................................................ |
18 |
I. Сигналы РЛС непрерывного излучения............................... |
23 |
1.1. Моделирование сигналов................................................ |
23 |
1.1.1. Принцип действия радара................................................ |
23 |
1.1.2. Простые зондирующие сигналы...................................... |
26 |
1.1.3. Физические процессы формирования сигналов .............. |
28 |
1.2. Анализ отраженных сигналов ........................................ |
34 |
1.2.1. Основные характеристики............................................... |
34 |
1.2.2. Свойства законов распределения амплитуд .................... |
37 |
1.2.3. Понятия априорных вероятностей обнаружения цели .... |
40 |
1.2.4. Расчет априорных вероятностей..................................... |
42 |
1.2.5. Времязависимые вероятности обнаружения ................... |
47 |
1.3. Спектральный анализ радиолокационных сигналов……...50 |
|
1.3.1. Специфика Фурье преобразований.................................. |
50 |
II. Сигнальная энергетика РЛС непрерывного излучения...... |
59 |
2.1. Линейная фильтрация отраженных сигналов.............. |
59 |
2.1.1. Модель теплового шума............................................................... |
59 |
2.1.2. Фильтрация сигналов на фоне шумов ............................. |
65 |
2.1.3. Согласованная фильтрация сигналов .............................. |
68 |
3 |
|
2.1.4. Последетекторное накопление ......................................... |
73 |
2.3. Уравнения радиолокации................................................ |
77 |
2.2.1. Расчет текущих мощностей отраженных сигналов.......... |
79 |
2.2.2. Классическая форма расчета мощностей сигналов .......... |
81 |
2.2.3. Расчет по среднему значению ЭПР цели.......................... |
82 |
2.2.4. Уравнение дальности действия ........................................ |
84 |
III. Радиолокационные измерения ................................................ |
86 |
3.1. Погрешности измерений.................................................. |
86 |
3.1.1. Категории ошибок измерения .......................................... |
86 |
3.1.2. Методы расчета ошибок................................................... |
89 |
3.1.3. Стохастические ошибки измерения дальностей .............. |
91 |
3.2. Влияние шумов на погрешности измерения ...................... |
93 |
3.2.1. Шумы и ложные цели....................................................... |
93 |
3.2.2. Погрешности измерения направлений ............................. |
96 |
3.3. Разрешение целей............................................................. |
99 |
3.3.1. Угловое разрешение ......................................................... |
99 |
3.3.2. Разрешение целей в двухантенной РЛС ......................... |
102 |
3.3.3. Разрешение по частоте ................................................... |
104 |
IV. Дополнительные возможности .............................................. |
108 |
4.1. Прямое измерение дальности одноантенной РЛС....... |
108 |
4.1.1 Амплитудный маркер зондирующего сигнала............... |
108 |
4.1.2. Природа случайных ошибок амплитудного маркера..... |
109 |
4.1.3. Ошибки измерения по маркеру...................................... |
112 |
4.1.4 Дальность действия РЛС в режиме измерения ............... |
115 |
4 |
|
Непрерывные гармонические сигналы в РЛС |
|
4.1.5. Сокращение времени выхода в эфир .............................. |
116 |
4.2. Селекция движущихся целей ........................................ |
120 |
4.2.1. Назначение и принцип действия систем СДЦ................ |
120 |
4.2.2. Формирование требований к системе СДЦ.................... |
123 |
4.2.3. Расчет требований .......................................................... |
124 |
4.3. Расчет фильтров СДЦ.................................................... |
127 |
4.3.1. Модели спектров обобщенных объектов........................ |
127 |
4.3.2. Подавление помех фильтром верхних частот ................ |
131 |
4.3.3. Потери сигналов при фильтрации .................................. |
135 |
4.3.4. Обеление помехи............................................................ |
138 |
V. Инструкции по проектированию ……………………………. 145 |
|
5.1. Проектирования РЛС или комплексов на предприятии.... |
145 |
5.1.1. Техническое задание…………………………………….. 145 |
|
5.1.2 .Инженерная записка …………………………………….. 147 |
|
5.1.3.Организация проектирования…………………………… 150
5.1.4.От опытного образца к серии ……………………………152
5.2. Проектирование РЛС студентами…………………………… 151
5.2.1.Место студента в цикле …………………………………. 151
5.2.2. Примеры основных пунктов заданий ………………….. |
153 |
5.2.3. Порядок выбора и расчета общих характеристик …….. |
159 |
Выводы по методическому пособию:................................... |
169 |
Заключение .................................................................................... |
170 |
5
Список основных сокращений
АФС – антенно-фидерная система АМ – амплитудная модуляция
АЦП – аналого-цифровой преобразователь БПФ – быстрое преобразование Фурье ВО – вторичная обработка ГКВ – генератор кварцевый
ГВЧ – генератор высокой частоты ГСВЧ – генератор сверх высокой частоты ГИ – генератор импульсный
ДНА – диаграмма направленности антенны ДПФ – дискретное преобразование Фурье ДС – дискретный сигнал ЗГ – задающий генератор ЗИ – запускающий импульс
КГ – когерентный гетеродин КМГ – когерентный местный гетеродин
ЛЧМ – линейная частотная модуляция МГ – местный гетеродин
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ОФ – обеляющий фильтр ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПЧ – промежуточная частота
РЛС – радиолокационная станция СДЦ – селекция движущихся целей СВЧ – сверхвысокая частота ЧПВ – череспериодное вычитание ФВЧ – фильтр верхних частот ФНЧ – фильтр нижних частот
6
Непрерывные гармонические сигналы в РЛС
Список основных обозначений
В – база сигнала С – скорость света
Fд – доплеровская частота f, F – частоты
Fп – частота повторения сигналов
∆F, ∆f – частотные полосы пропускания фильтров
Gа – коэффициент усиления антенны G(f) – полный спектр мощностей
g(f) – спектральная плотность мощностей р – мощность
Роб, Рлт – вероятности обнаружения и ложной тревоги r, R – расстояния
Vr – радиальная скорость сближения R(τ) – корреляционная функция
u(t) – текущая амплитуда сигнала Тп – период повторения
θа – ширина ДНА α – угол в горизонтальной плоскости
β – угол в вертикальной плоскости
σu – эффективное значение напряжения
σf – эффективная ширина спектра
t, Т, τ – время и временная задержка
П, П2 – коэффициент подавления по напряжению и по мощности nш2 – спектральная плотность мощности шума [Вт/Гц]
k(f), k2(f), – коэффициенты передачи фильтров по напряжении и мощности соответственно
7
Введение
Введение
В основе термина «локация» лежит английское слово «location» – местоположение. Термины «радиолокатор» (английское: Radio Locator),
«радар» (английское Radio Detection and Ranging – радиообнаружение и дальнометрия), «радиолокационная система – РЛС», «радиолокационная станция – РЛС» не определяют конкретную структуру изделия. Отсюда самые различные толкования аббревиатур и понятий в быту и у специалистов.
Радиолокация является областью науки и техники, основанной на использовании радиоволн. Она объединяет методы и средства зондирования объектов радиоволнами, получения отраженных сигналов и их обработки, обнаружения сигналов на фоне шумов и помех, а также измерения координат целей и определения свойств и характеристик объ-
ектов по сигнатуре. В радиолокации объекты зондирования чаще называют целями.
Для облучения объектов радиоволнами в передатчике РЛС генерируются высокочастотные или сверхвысокочастотные колебания зондирующих сигналов, которые по фидеру направляются в антенну. Антен-
на узким лучом направляет на цель электромагнитные волны. Эти волны летят со скоростью света, достигают цели и наводят на ее поверхности контурные токи. Те, в свою очередь, образуют вокруг цели электромагнитные волны вторичного излучения, которые распространяются во все стороны пространства. Часть радиоволн попадает обратно в ан-
тенну РЛС, образуя там так называемые отраженные сигналы. Оттуда эти сигналы попадают через фидер в приемный канал, усиливаются и детектируются. В процессе детектирования выделяется полезная информация о цели. Она используется для определения координат, оценки скорости движения цели, распознавания классов объектов и выпол-
нения других функций и задач.
8
Непрерывные гармонические сигналы в РЛС
В настоящем учебном пособии рассматриваются радары непрерывного излучения гармонического сигнала. Это самые дешевые и достаточно широко распространенные приборы.
Области применения непрерывных гармонических сигналов Полицейские радары
При решении ряда задач бывает достаточно радара непрерывного излучения гармонического сигнала. Примерами могут быть РЛС для полиции. Такие радары имеют дальность действия по легковому авто-
мобилю всего порядка 300-800 м и способны измерить и зафиксировать скорость автомобиля с достаточной точностью. Для измерения используют известный метод Доплера - Белопольского. Он заключается в том, что частота зондирующего сигнала fз, отраженная от приближающегося или удаляющегося автомобиля f0, изменяется на эту частоту. Для обо-
значения ее чаще применяется термин «частота Доплера» Fд. Это частота измеряется и по ней рассчитывается скорость сближения Vr.
(1)
– где Fд – частота в Герцах, Vr – скорость сближения цели с РЛС в м/с, λ – длина волны в м
Если ось антенны расположить соосно с направлением движения ав-
томобилей, то рассчитанная скорость сближения будет равна скорости проверяемого автомобиля Vа = Vr. В иных случаях необходимо ввести поправку на Косинус угла между линией визирования и линией движения авто.
К настоящему времени разработано большое количество зарубеж-
ных и российских полицейских радаров.
«Барьер 2М (рис.1). Широко распространенный полицейский радар .
9
Введение
Рис. 1. Полицейский радар «Барьер 2М-М»
Работает в так называемом Х-диапазоне (10,525 ГГц + 25 МГц). Позволяет определять скорость приближающихся машин. Максимальная дальность действия — 500 метров. «Барьер» неплохо бьет по одиночным целям, но создает проблемы при выделении самого быстрого автомобиля в потоке. Диапазон измеряемых скоростей: 20–250 км/час.
Погрешность измерения: ±2 км
Сокол-М
Рис. 2. Радар «Сокол-М» Автономный радиолокационный измеритель скорости, работающий
тоже в X-диапазоне. Прибор предназначен для определения скорости
10