Хомяков Толкалин 12_end_3

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

–при одной и той же ширине ДНА и коэффициенте усиления, в более длинноволновом диапазоне дальность действия РЛС выше;

–в миллиметровом диапазоне затухание радиоволн в тумане и дожде выше, чем в сантиметровом;

–наибольшее затухание радиоволн в кислороде атмосферы в 5 мм диапазоне;

–при работе РЛС короткими пакетами на излучение, число доплеровских синусоид в одном пакете больше в миллиметровом диапазоне.

Чаще всего дешевые маломощные радары для ГИБДД и охранной сигнализации работают в 3-х сантиметровом диапазоне радиоволн (Х- диапазоне 10 ГГц). Объясняется это, в первую очередь, дешевизной СВЧ генераторов и других комплектующих. Но тогда РЛС ГИБДД должны работать в режиме излучения дольше, чтобы набрать нужное число синусоид частот Доплера для точного измерения скорости автомобиля. За это время даже самые простые антирадары успевают зафиксировать засаду инспекторов, а водители снизить скорость. Поэтому перспективные РЛС этого класса стали делать в мм диапазоне (в К или Ка диапазонах: 24 ГГц, 28 ГГц). Тогда продолжительность излучения можно снизить настолько, что дешевые антирадары не успеют это излучение зафиксировать. Чтобы оценить возможности сокращения продолжительности одного цикла излучения, надо воспользоваться рис. 4.5, рис. 4.6 раздела 4.1.5 настоящего пособия.

Для примеров заданий №1 или №2 выбираем длину волны 3 см.

2. Определяем спектральный состав отраженных сигналов

Сигналы от пассивных помех

Раз выбран диапазон радиоволн с частотой f0 ( в некоторых формулах это f, fз), самое время определить спектральный состав пассивных помех и целей. Это необходимо, чтобы правильно построить фильтры.

161

Инструкции по проектированию

Для подавления пассивных помех нужен обеляющий или квазиобеляющий фильтр. Для его построения надо знать эффективную ширину спектра от местности σfм. Спектр располагается в нулевой точке спек-

трограммы. Больше эффективная ширина спектра у растительных образований. Для расчета достаточно воспользоваться эмпирической фо р-

мой (4.18) из раздела 4.3.2: σfм[Гц] а f [ГГц]. В том же разделе даны примеры значений коэффициента «а» в зависимости от типа раститель-

ного образования и скорости ветра. Если ДНА узкая и делает быстрый обзор пространства, то придется учесть дополнительное расширение спектра. Этот вопрос рассмотрен для целей в разделе 3.3.3, формулы (3.20). Для пассивных помех его можно применить тоже.

Сигналы от целей

Спектр сигнала от целей отличается тем, что имеет частоту Доплера Fд, которая переносит его дальше на частотной оси и делает практически симметричным. Эффективную ширину (полуширину) σfц можно получить из раздела 2.1.3 в виде (2.12). Если ДНА РЛС очень узкая, и делает быстрый обзор пространства, то придется учесть дополнительное расширение спектра. Смотри раздел 3.3.3 формулу (3.20).

Итак, σfц[Гц] bf [ГГц]. Коэффициент состояния цели «b» (в некото-

рых формулах обозначен как «а») зависит от скорости цели Vw и ее типа. При расчете доплеровских частот не следует забывать, что речь идет не о скоростях целей, а о скоростях сближения (отдаления) цели с РЛС. Скорости целей с РЛС V в м/с обычно заданы в ТЗ на РЛС. Диапазон доплеровских частот Fдmin и Fдmax определяется с учетом длины волны λ (в метрах) и скоростей Vmin и Vmax (в м/с). Не забудьте, что за-

данные в ТЗ скорости соответствуют скоростям сближения.

Дальше произвольно рисуется спектральный состав в виде, представленном на рис. 4.7 раздела 4.2.1. Аналог рисунка здесь дан на рис.

162

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

5.1. Кроме огибающих спектров на рисунке впрок прорисованы фильтры: верхних частот (ФВЧ) для подавления пассивных помех от местности. Он выполняет функцию квазиобеления. Далее фильтр нижних частот (ФНЧ) – для снижения уровня шумов. Там же дана и спектральная плотность шума nш2 [Вт/Гц]. Обозначены эффективные ширины спектров σf и частотные ширины общих фильтров: прямоугольного на весь диапазон доплеровских частот ∆Fф. и согласованного со спектром сигнала ∆Fфс. Для чего это нужно будет ясно дальше. К этому рисунку будем обращаться не раз.

В соответствии с задачей для выбранной волны 3 см (10 ГГц) рас-

Примерные равенства в (5.2) показывают, что в дальнейшем эти цифры могут уточняться.

Рис. 5.1. Спектральный состав сигналов

Так, слагаемое ( ÷ ) выбирается для того, чтобы не было потерь сигналов на границах АЧХ фильтров, что ясно из рис. 5.1. Кроме того, нижний «срез» ФВЧ будет специально выбираться так, чтобы обеспечить обоснованное студентом подавление пассивных помех от местности, например 30 дб.

163

Инструкции по проектированию

3. Рассчитываем требуемое отношение сигнал/шум

Для этого используем п. 2 ТТХ. Дальность действия РЛС, кроме энергетических параметров радиолокационного канала, зависит и от вероятностей обнаружения Роб и ложной тревоги Рлт: R(Роб, Рлт). Это показано в разделе 2.2.4 в формуле (2.39).

Вероятности связаны между собой через отношение сигнал/шум Осш. А отношение, которое необходимо для получений Роб и Рлт, зависит от способа принятия решения о наличии или отсутствии полезного сигнала в шуме. Эта статистическая задача может быть решена через реализацию отношения правдоподобия или проще – через работу автоматического однопорогового обнаружителя по рис. 1.7. раздела 1.2.4. Для последнего варианта можно воспользоваться семейством кривых рис. 1.8 того же раздела. Способ определения требуемого отношения О сш в этом разделе еще раз повторен на рис. 5.2.

Итак, по нужной кривой определились с отношением эффективного значения сигнала к эффективному напряжению шума Осш =σuc /σuш.

Рис. 5.2. Определение требуемого отношения сигнал/шум

Такое отношение нужно подать на вход автоматического обнаружителя, чтобы он зарегистрировал полезный сигнал с заданными вероятностями сразу после включения РЛС. В дальнейшем это отношение

164

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

надо обеспечить за счет правильного выбора ДНА, мощности передатчика и системы первичной обработки отраженного сигнала. Не удивляйтесь, что в энергетических расчетах будет применяться отношение и в масштабах мощностей:

4. Рассчитываем спектральную мощность приведенного шума

Спектральная плотность шума nш2 [Вт/(градус Герц)], приведенного на вход приемника подробно описана в разделе 2.1.1. Ее можно вычислить по формуле (2.1). Но для этого надо знать шумовую температуру всего приемника Тш или его основных шумящих устройств. К их числу относится смеситель. Если Ваш радар построен по схеме с СВЧ фаз о- вым детектором на входе, то температура аналогична температуре сме-

5. Рассчитываем мощность приведенного шума

Мощность приведенного шума рш можно рассчитать по найденному значению спектральной плотности nш2 и полосе фильтра сигнала ∆F. В

широкополосный фильтр попадает больше шума. В согласованный со спектром сигнала фильтр – меньше.

Для широкополосного фильтра полосой ∆Fф (рис.5.1):

Для фильтра, согласованного со спектром сигнала:

р р ∆ с (5.6)

Тип фильтров выбирает и обосновывает разработчик. Ему с тоит взвесить, насколько усложнится аппаратура при применении большого числа согласованных фильтров. Если это допустимо, то стоит применить согласованные фильтры, так как это даст возможность снизить мощность передатчика, а значит и потребления от источников питания.

165

Инструкции по проектированию

Но и при этом нельзя обойтись без ФВЧ. Именно он подавляет помехи от местности. Но об этом ниже.

6. Рассчитываем требуемую мощность сигнала от цели

Мощность приведенного ко входу приемника шума р р мы рас-

считали. Теперь из п. 3 вспоминаем, какое отношение сигнал/шум Осш надо, чтобы обеспечить заданные вероятности обнаружения и ложной тревоги. Значит, сигнал должен превышать шум именно во столько раз.

рс р р р с (5.7)

Таким образом, найдена требуемая мощность сигнала на входе приемника. Ее и надо обеспечить за счет мощности передатчика, коэффициента усиления антенны и длины волны.

7. Рассчитываем ширину ДНА

В п. 4 ТЗ на РЛС задана случайная ошибка измерения направления на цель σα. В разделе 3.2.2 (формула 3.13) было показано, что эта стоха-

стическая ошибка зависит от двух параметров: ширины ДНА в соответствующей плоскости Qaα и все того же отношения сигнал/шум Осш. От-

сюда можно определиться с тем, какая ДНА нам нужна в горизонтальной плоскости.

ботчик РЛС исходя из решаемых задач. Она может быть той же, что и в горизонтальной. Может быть шире.

Антенны с более узкой ДНА имеет большие размеры. Но и больший коэффициент усиления Ga. Если при проектировании имеется возможность увеличить размер антенны, то будет увеличен ее коэффициент усиления. В уравнении радиолокации этот параметр записан как G2.

Значит, если увеличить коэффициент усиления вдвое, то мощность передатчика можно снизить во столько же раз!

166

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

8. Рассчитываем коэффициент усиления антенны

Для расчета нам известна ширина ДНА в горизонтальной плоскости. Выбрана разработчиком в вертикальной. Остается определиться с кон-

струкцией исходя из особенностей применения РЛС. Это может быть рупорная, зеркальная, полосковая и т.д. Существует достаточно литературы по расчету коэффициентов усиления Gа. Разработчик должен воспользоваться этими материалами. Для грубой предварительной оценки можно воспользоваться эмпирической формулой:

9. Рассчитываем требуемую мощность передатчика

Вначале надо выбрать уравнение радиолокации. Это должен сделать разработчик. Для упрощения расчетов можно рекомендовать форму (2.36) из раздела 2.2.2. Решая это равенство относительно мощности в антенне (или мощности передатчика) рп, несложно определить зависимость требуемой мощности передатчика от выбранных и рассчитанных нами параметров.

р рс[( ) ] [ ̅] (5.10)

Результаты могут быть самыми неожиданными. Для ориентировки можно сообщить, что для простых РЛС ГИБДД эта мощность лежит в пределах 5-50 мВт. КПД генераторов СВЧ обычно бывают от 0.5 % до 10 %. Вот и считайте. Если рп получилась 50 мВт, а прибор СВЧ имеет КПД 0.5 %, то от первичного источника питания потребуется 10 Вт.

При напряжении питания 12 В потребуется ток 0,83 А. А это для носимых РЛС немало. Можно понизить потребление за счет увеличения коэффициента усиления антенны, большего КПД СВЧ генератора или более интеллектуальной обработки отраженного сигнала.

10. Рассчитываем ФВЧ

167

Инструкции по проектированию

ФВЧ выполняет роль фильтра СДЦ. Его можно строить по полным алгоритмам обеляющего фильтра. Проще выполнить АЧХ по модели Чебышевского или лестничного типа. Для студенческих расчетов можно остановиться на ступенчатой форме, как показано на рис. 5.1.

В ТЗ №2 не задан коэффициент подавления пассивных помех от местности Пм. Его надо обосновать. Предположим, в процессе обоснования получено значение Пм ≥ 30 дб. Это значит, что нижний срез фильтра Fфн надо расположить на частотной оси так, чтобы коэффициент передачи помехи по мощности kм2 был не более 0.001 раз. Как точно рассчитать этот коэффициент, описано в разделе 4.3.2 по формуле (4.19). Сначала надо определиться с модель спектра помехи. Если в ТЗ она не указана, можно брать модель огибающей Гаусса. Далее предварительно установить фронт Fфн так, чтобы площадь под кривой Гаусса за фронтом была примерно 0.001. Значение фронта зафиксировать. Потом рассчитать коэффициент χ = Fфн / σfм. Дальше по таблицам интеграла Шеппарда (Таб. 1.1) найти значение ξ(χ) и вычислить коэффициент передачи помехи м.

м [ (x) ] (5.11)

Если значение м не будет соответствовать заданному, надо сделать несколько итераций, давая близкие величины Fфн ниже или выше предварительному. Выполнение других характеристик РЛС, заданных в задании проводится разработчиком. Успехов Вам!

Выводы к разделу 5:

1.В разделе 5 показаны примеры цикла промышленной разработки РЛС и комплексов для серийного производства.

2.Для студенческих проектов даны подходы к проектированию основных технических характеристик РЛС.

168

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

3. Материалы пособия и рекомендации в разделе 5 позволяют выполнять проекты различной сложности.

Контрольные вопросы к разделу 5:

1. Назовите основные этапы и циклы проектирования РЛС и комплексов на промышленном предприятии?

2. Для чего нужны испытания радиоэлектронных блоков на климатические и механические воздействия?

3.Для чего нужны предварительные испытания всего изделия?

4.Назовите порядок выбора и обоснования основных характеристик РЛС в студенческом проекте.

Выводы по методическому пособию:

1. РЛС непрерывного излучения гармонических сигналов позволяет решить значительное число локационных задач и может быть рациональным решением для разных областей применения с хорошим показателем критерия эффективность/стоимость.

2.К достоинствам непрерывных зондирующих сигналов следует отнести:

–простоту генерирования зондирующих и обработки отраженных сигналов;

–однозначность измерения доплеровских частот (скоростей сближения целей с РЛС);

–узкие частотные полосы отраженных сигналов, что дает возможность разрешения групповых целей;

–возможности измерения дальностей до целей в двухантенном варианте РЛС и с применением маркеров.

3.Основными недостаток являются:

169

Заключение

3.1.Сложность прямого измерения дальности до цели с помощью одноантенной РЛС непрерывного излучения гармонического сигнала.

3.2.Накачка шумов генератора передатчика на прямо вход радиоприемника или через земную поверхность снижает возможности использования непрерывных сигналов для РЛС большой дальности действия.

4.Основные способы устранения недостатков:

– применение двух РЛС или одной РЛС с дополнительной приемной антенной, расположенной на удалении от основной приемопередающей на базу b;

– снижение уровня боковых лепестков антенн в двухантенном варианте РЛС;

– использование различных способов маркировки непрерывного сигнала: простых амплитудных маркеров или сложных;

– применение малошумящих генераторов, эффективных переключателей прием/передача и точных балансных смесителей.

Заключение

Дисциплины по радиолокации и радиолокационным системам исключительно полезны для формирования компетенций студентов стар-

ших курсов радиотехнических и электронных специальностей. В течение предыдущих лет они изучают общую радиотехнику, сигналы, устройства генерирования, приема сигналов, антенно-фидерную технику и др. Но как это взаимодействует в сложной системе, к которой относится радиолокационная станция, им еще не понятно. Кроме всего,

полученные много лет назад знания, уже не так свежи или утрачены. Поэтому радиолокационные дисциплины дают возможность не только

170