Разработка структурной схемы рлс

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Кафедра радіоелектронних систем

КУРСОВА РОБОТА

Радіолокаційний висотомір великих висот

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Виконав: ст. гр. РТ-11-1 ПЕРЕВІРИЛА:

Пунін Д. В. Шиляєва О.Л.

_____________________ ______________________

«__»_____________ 2014 р. «__» ___________ 2014 р.

ХАРКІВ 2014

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: 39с., 11рис.,

Цель работы – Расчет и проектирование радиолокационной системы обзора летного поля: ее структурной схемы и основных технических параметров. Наработки по данной работе могут быть использованы при разработке аналогичных устройств, а также при совершенствовании данного проекта.

РАДИОВЫСОТОМЕР БОЛЬШИХ ВЫСОТ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВПП - взлетно-посадочное поле
РЛС - радиолокационная система
ЭПР - эффективная площадь рассеяния
СВЧ - сверхвысокие частоты

ЛА-летательный аппарат

РВ- радиовысотомер

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 6

1 ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ РЛС.. 7

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС.. 23

3 ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.. 24

4 РАЗРАБОТКА ИНДИКАТОРНОГО УСТРОЙСТВА.. 30

ВЫВОДЫ.. 38

ВВЕДЕНИЕ

РАДИОЛОКАЦИЯ (от радио... и лат. locatio - расположение) - область науки и техники, предмет которой - наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, распознавание, определение их местонахождения и скорости и др.; сам процесс радиолокационного наблюдения, осуществляемый радиолокационными станциями (РЛС) и системами. В радиолокации с зондирующим излучением (наиболее распространена) для наблюдения используют радиосигналы, отраженные от объекта, облученного РЛС (эхо-сигналы); в радиолокации с активным ответом - сигналы РЛС, переизлученные активным ретранслятором, находящимся на объекте; в пассивной радиолокации - собственное радиоизлучение объекта (его радиоустройств или тепловое). Первые РЛС появились в 1936-38 (Великобритания, США,СССР). Методы и средства радиолокации применяют в военном деле, морской, воздушной и космической навигации, метеорологии, астрономии (радиолокация планет), при разведке полезных ископаемых и т. д[1].

РАДИОВЫСОТОМЕР (радиоальтиметр — устаревшее, производное из иных европейских языков) — бортовое или наземное устройство для определения истинной высоты полёта летательного аппарата (самолёта, вертолёта, спутника и т. д.) над поверхностью Земли радиотехническими методами. Является дополнением и альтернативой барометрическому высотомеру, предназначенному для измерения относительной или абсолютной высоты полёта. Фактически, радиовысотомер является частным случаем радиодальномера или специализированной РЛС, однако, в связи с удобством классификации по назначению, его выделяют в отдельный класс устройств[2].

ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ РЛС

Радиовысотомеры (РВ) предназначены для измерения истинной высоты полета летательного аппарата. Они относятся к классу автономных радионавигационных установок, так как не требуют для образования канала измерения дополнительного наземного оборудования.

Для радиовысотомеров выделены определенные диапазоны частот вблизи 4300, 1600-1900 и 440 МГц. В радиовысотомерах применяется радиолокационный принцип определения расстояния (высоты) по отраженному сигналу. Передатчик радиовысотомера формирует колебания, которые с помощью передающей антенны направляются в сторону земной поверхности. Отраженный сигнал поступает на приемную антенну и приемник. Измеритель высоты ИВ вырабатывает напряжение, пропорциональное времени прохождения сигнала до земной поверхности и обратно, т.е. пропорциональное истинной высоте .

Для измерения высоты используются частотный и временной (импульсный)методы. Соответствующие РВ называют частотными и импульсными. В зависимости от максимальной измеряемой высоты различают РВ малых и больших высот.

Радиовысотомеры малых высот(до 1500 м) применяют главным образом для управления ЛА в вертикальной плоскости в системах захода на посадку и автоматической посадки. Используются, в основном, РВ с изучением непрерывных частотно-модулированных колебаний. Большинство РВ малых высот дают информацию не только о текущей высоте полета, но и о достижении самолетом установленной заданной высоты полета (или опасной высоты), а также о своей работоспособности. Эта информация обычно в виде постоянных напряжений поступает на индикаторы РВ и в вычислитель системы управления ЛА.

Радиовысотомеры больших высот(до 30 км) применяют как вспомогательное навигационное средство при аэрофотосъемке местности и для других целей. Данные РВ используют излучение импульсных колебаний

Методы определения высоты полета

Приборы, предназначенные для измерения высоты полета над земной поверхностью, называются высотомерами. Различают три высоты полета (рис.1.1): абсолютную — высоту относительно уровня моря; относительную — высоту относительно какого-либо места, например, аэродрома взлета или посадки; истинную — высоту над пролетаемой местностью. Абсолютную высоту полета важно знать при испытаниях самолетов. Относительная высота должна быть известна при взлете и посадке, а истинная высота — во всех случаях полета. Высоту полета относительно уровня с давлением 760 мм рт. ст. называют абсолютной барометрической высотой.

Рисунок 1.1 - К пояснению абсолютной, истинной и относительной высоты полета [3].

Известно несколько методов определения высоты полета. Среди них следует отметить барометрический и радиотехнический методы, которые получили наибольшее распространение в гражданской авиации. Барометрический метод измерения высоты основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. Измерение высоты этим методом сводится к определению абсолютного давления с помощью барометра. Радиотехнический метод основан на измерении времени прохождения радиосигналом пути от самолета до поверхности земли и обратно. В данной главе рассматривается теория барометрического метода измерения высоты и принцип построения высотомеров, основанных на этом методе [3].

Способы измерения высоты полета

Высота полета измеряется с помощью специальных приборов, называемых высотомерами. Основными способами измерения высоты полета являются барометрический и радиотехнический.

Барометрический способ измерения высоты основан на принципе измерения атмосферного давления, закономерно изменяющегося с высотой. Барометрический высотомер представляет собой обыкновенный барометр, у которого вместо шкалы давлений поставлена шкала высот. Такой высотомер определяет высоту полета самолета косвенным путем, измеряя атмосферное давление, которое изменяется с высотой по определенному закону. Барометрический способ измерения высоты связан с рядом ошибок, которые, если их не учитывать, приводят к значительным погрешностям в определении высоты. Несмотря на это барометрические высотомеры ввиду простоты и удобства пользования широко применяются в авиации.

Радиотехнический способ измерения высоты основан на использовании закономерностей распространения радиоволн. Известно, что радиоволны распространяются с постоянной скоростью и отражаются от различных поверхностей. Используя эти свойства радиоволн, можно определять высоту полета самолета. Принцип измерения высоты радиотехническим способом можно представить следующим образом. На самолете устанавливаются передатчик и приемник. Передатчик излучает радиосигналы короткими импульсами, которые направляются антенной к земле и одновременно поступают в приемник. Дойдя до земной поверхности, сигналы отражаются и принимаются приемником, который связан с индикаторным устройством. Последнее по интервалу времени между поступлением в приемник прямого и отраженного радиосигналов определяет высоту полета самолета, которая отсчитывается по шкале. В современных радиовысотомерах используются частотный (радиовысотомеры малых высот) и импульсный (радиовысотомеры больших высот) методы измерения высоты. Они показывают истинную высоту полета, что является их преимуществом перед барометрическими высотомерами, так как барометрическая высота, как правило, отличается от истинной[4].

Импульсные РВ больших высот

Импульсные РВ больших высот строятся по классической структурной схеме и отличаются, главным образом, типом измерителя времени. Находят применение измерители времени с непосредственным и компенсационным отсчетом.

Импульсный РВ с непосредственным отсчетом основан на использовании электронно-лучевого индикатора ЭЛИ с круговой разверткой и радиальным отклонением луча (рис.5). Синхронизирующий генератор СГ выполняется по схеме с кварцевой стабилизацией частоты и вырабатывает синусоидальные колебания, частота которых меняется в зависимости от режима работы РВ (грубое или точное измерение) и составляет, например, 14 989 или 149 895 Гц. Это же напряжение используется для формирования в модуляторе М импульса, управляющего генератором высокой частоты ГВЧ, и для получения двух квадратурных синусоидальных напряжений, необходимых для работы генератора развертки ГР.

Отраженный сигнал с приемника Прм усиливается видеоусилителем ВУ и подается на центральный отклоняющий электрод ЭЛИ.

Рис1.2-.Структурная схема импульсного радиовысотомера с непосредственным отсчетом.

Рис1.3-. Структурная схема импульсного радиовысотомера с компенсационным отсчетом .

Импульсный РВ с компенсационным отсчетомвключает в себя следящую систему (рис. 6), основными элементами которой являются временной модулятор ВМ (устройство управляемой задержки, выполненное, например, на фантастроне и блокинг-генераторе ) , временной дискриминатор ВД (выполненный, например, на каскаде совпадений) и интегратор И. Синхронизирующий генератор СГ выполняется по схеме генератора синусоидальных колебаний с кварцевой стабилизацией частоты КГ, дополненного делителем частоты ДЧ. Последний формирует импульсы запуска передатчика Прд и ВМ .При совпадении части CИ c отраженным импульсом ОИ появляется напряжение на выходе БД, которое отключает источник напряжения + Е и включает схему переключения режимов СПР. Последняя разрешает выдачу сигнала текущей высоты Н через схему сопряжения СС внешним потребителям. РВ переходит в режим слежения.

Принцип действия радиовысотомера больших высот.

Рис. 1.4 Функциональная схема радиовысотомера РВ-25

Передатчик генерирует высокочастотные импульсы длительностью,. Т==0,5 мксек. Частота следования их задается синхронизатором. Зондирующие импульсы излучаются передающей антенной, достигают земной поверхности и, отражаясь от нее, принимаются приемной антенной. С выхода приемника усиленные и преобразованные сигналы поступают на индикатор. Индикатор высоты, в качестве которого используется электроннолучевая трубка, имеет кольцевую линию развертки, образованную в результате подачи на отклоняющие пластины синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 90 градусов. Длительность развертки равна периоду следования зондирующих импульсов. Шкала радиовысотомера рассчитана на измерение до 15000 м. Соответствующая этому масштабу длительность развертки

Т1=2 (Нмах /С)=100,079 мксек. (7)

Здесь С=299762 км/сек- скорость распространения радиоволн в атмосфере. Определяемая периодом синусоидальных колебаний частота следования зондирующих импульсов оказывается при этом равной FИ'=1/11=9,992 КГЦ.

С целью более точного определения высоты в радиовысотомере применяют второй масштаб с пределами измерения от 0 до 1500 м. при этом масштабе длительность развертки

Т2-2Нмакс/С = 10,0079 мксек, (8)

а частота следования зондирующих импульсов FИ"=1|Т2 =99,921 кгц (9)

На экране индикатора высоты отраженный импульс просматривается в виде амплитудной отметки. Кроме него, на экране индикатора будет просматриваться (также в виде амплитудной отметки) зондирующий импульс, воздействующий на вход приемника непосредственно.

Вследствие одновременного запуска синхронизатором передатчика и развертки индикатора представляется возможным измерять время запаздывания отраженного сигнала (t) по отношению к переднему фронту зондирующего импульса. Другими словами, расстояние между передними фронтами зондирующего и отраженного импульсов по дуге окружности развертки в масштабе шкалы высот пропорционально измеряемой высоте полета. Для отсчета высоты применяется масштабная шкала в метрах,

нанесенная на прозрачном органическом стекле и наложенная на экран электронно-лучевой трубки.

Основные тактико-технические данные радиовысотомера больших высот:

1.Диапазон измеряемых высот от 100 до 17000 м.

2. Погрешность измерения высоты:

-на масштабе Mxl составляет 15 м+/-0,25% измеряемой высоты,

-на масштабе Mx10 составляет 150м+/-0,25% измеряемой высоты.

3. Шкала индикатора отградуирована в метрах и содержит:

-на масштабе Mxl - 1000м.

-на масштабе Мх10 - 10000м.

4. Средняя мощность передатчика на масштабе Mxl - не более 0,2 вт (Ри>=2,67).

5. Несущая частота передатчика 440+/-1 МГц.

6. Частота повторения импульсов:

-на масштабе Mxl - 149895+/-25 Гц.

-на масштабе Мх10 - 14989+/-20 Гц.

7. Длительность зондирующего импульса - 0,5 мксек.

8. Ширина полосы пропускания приемника - не менее 5 кГц.

9. Промежуточная частота - 30 МГц.

10. Чувствительность приемника - не хуже 30 мкВ (при соотношении сигнала к шуму, равном 4).

11. Общая чувствительность радиовысотомера по тестеру Т-1 - не менее 106 ДБ.

12. Потребляемая от сети 115 в, 400 Гц мощность - не более 140 Вт.

13. Вес полного комплекта - около 30 кг.

Погрешности радиовысотомеров больших и малых высот.

Первую группу погрешностей образуют методические, связанные со случайным характером принятого сигнала, изменением рассеивающих свойств земной поверхности в процессе полета, влиянием крена и тангажа ЛА, флуктуациями сигнала из-за процесса рассеяния ЭМ волн, шумами внешнего и внутреннего происхождения. Все эти погрешности можно разбить на две составляющие:

-ошибки из-за смещения средней оценки измерения высоты

-флуктуационные ошибки

Вторая группа связана с динамическими ошибками. В радиовысотомерах они возникают из-за маневров ЛА: измерение высоты сильнопересеченного рельефа, использования РВ в системах управления самолета и других случаях. Так как измерительные устройства РВ имеют динамические характеристики соответствующего порядка, то при наличии вышеуказанных причин имеет место отставание в измерении высоты и возникает динамическая ошибка.

Третью группу составляют инструментальные (аппаратурные) погрешности, связанные с прохождением сигналов через антенно- фидерные, приемно-передающие и измерительные тракты РВ, а также ошибки из-за схемных конструктивных и технологических решений конкретных блоков РВ.

Для радиовысотомеров малых высот периодичность закона модуляции и способ измерения частоты ограничивают минимальную рабочую высоту. При периодическом законе модуляции частоты фаза преобразованного сигнала, соответствующего отражению от одиночной цели, периодически меняется с частотой модуляции излучаемых колебаний. Спектр преобразованного сигнала содержит только те составляющие, частоты которых кратны частоте модуляции FM. Если в РВ использован измеритель частоты типа счетчика числа переходов сигнала через нуль, то при изменении высоты частота следования импульсов на входе счетчика меняется дискретно, оставаясь кратной FM. Минимальное значение этой частоты

Fpmin =FM. (10)

Это явление приводит к ограничению минимальной высоты той величиной Нmin, которая соответствует Fpmin. При симметричных законах ЧМ

Hmin = 0,125сDfД-1 »37,5DfД -1м (11)

где девиация частоты DfД берется в мегагерцах. При DfД равной, например, 50 МГц, Нmin = 0,75 м. Для уменьшения Нmin необходимо увеличивать девиацию частоты DfД . Получение больших DfД тем проще, чем выше несущая частота излучаемых колебаний.

Непрерывный характер излучения в частотном РВ приводит к появлению на входе приемника прямого (просочившегося) сигнала, обусловленного электромагнитной связью передающего и приемного трактов. Прямой сигнал состоит из двух составляющих, каждая из которых промодулирована по амплитуде и фазе по случайным законам. Первая из этих составляющих представляет собой просочившийся сигнал передатчика, а вторая-тот же сигнал, не попадающий на вход приемника из-за отражений от элементов конструкции самолета. Параметры случайной модуляции сигнала передатчика определяются характеристиками генератора высокой частоты, в то время как параметры модуляции отраженного сигнала зависят от изменения взаимного расположения антенн РВ и отражающих элементов конструкции, вызываемого вибрациями ЛА.

Наибольшее влияние оказывают амплитудно-модулированные составляющие прямого сигнала. Они вызывают появление на выходе балансного смесителя шумового напряжения, основная доля энергии спектра которого приходится на низкочастотную часть, т. е. на тот участок, где располагаются частоты Fpmin – Fpmax, соответствующие измеряемым высотам полета.

Мощность шумов на выходе балансного смесителя, вызываемых прямым сигналом, не зависит от высоты полета, в то время как мощность полезного сигнала убывает с ростом высоты. Поэтому на некоторой высоте эти мощности становятся соизмеримыми, что вызывает ухудшение точности РВ и приводит к ограничению максимальной высоты Hmах (или высотности РВ). Подобное ограничение Hmax имеет место и в доплеровских измерителях скорости при излучении непрерывных колебаний.

Входящий в выражение для Hmах средний коэффициент шума приемника

Ш = Шпрм +DШпрм (12)

где DШпрм— коэффициент шума при отсутствии прямого сигнала; DШПРД=DШПРД+DШВИБ —прирост коэффициента шума за счет просачивания сигнала передатчика (DШПРД) и промодулированной виброшумами составляющей (DШВИБ).

Если оговорена максимально допустимая величина

mmax=DШПРМ /ШПРМ (13)

то требуется определенное ослабление прямого сигнала по сравнению с излучаемым, т. е. определенная развязка передающего и приемного трактов bр.т:

bр.т £ 4.10-21m ШПРМ (Рш.ген + 0,25 mп2 P0)-1 (14)

где Р0 — мощность передатчика; Рш.ген — мощность собственных шумов передатчика (зависит от типа генератора); mп- коэффициент паразитной амплитудной модуляции виброшумами.

Если принять m=0,1; ШПРМ =100; Р0 = 0,5¸1 Вт; Рш.ген =10-12- 10-14; mn= 10-6 ¸10-7, то требуемая развязка bр.т составляет 10-6 -10-8 или 60-80 дБ.

Радикальным средством борьбы с шумами, вносимыми прямым сигналом, является улучшение шумовых характеристик генератора и увеличение развязки, т. е. уменьшение bр.т . Реализация последней рекомендации требует рационального размещения антенн РВ.

В качестве дополнительного средства уменьшения шумов применяют фильтры, вырезающие низкочастотный участок спектра преобразованного сигнала, где сосредоточена основная часть энергии мешающих шумов.

Методические ошибки радиовысотомеров больших высот возникают вследствие непостоянства скорости распространения радиоволн при изменении условий распространения v появляющемся при этом отличии скорости распространения радиоволн е реальных условиях от скорости распространения, принятой в качестве расчетной (299762*1000 м/сек).

Инструментальные погрешности. Одной из причин возникновения инструментальной ошибки является неудовлетворительная настройка и регулировка радиовысотомера. К ошибкам в отсчете высоты могут привести: искажение формы развертки и эксцентричность окружностей развертки по отношению к масштабной шкале, неточная установка зондирующего импульса на нуль шкалы высот, определяемая в значительной мере формой и амплитудой зондирующего импульса, а также нестабильная работа синхронизатора. Вследствие этого зондирующий и отраженный импульсы, просматриваемые на экране индикатора, будут перемещаться ("дрожать").

Рис. 1.5 Масштабная шкала радиовысотомера

Ошибки при изменении высоты могут возникнуть при расстройке синхронизатора, вследствие которой нарушается связь масштабной шкалы с длительностью развертки, определяемой периодом синусоидальных колебании синхронизатора.

Точность отсчета высоты определяется точностью задания масштабной шалы и ценой ее деления.

В радиовысотомере масштабная шкала (рис.8) при диаметре d=51мм имеет 75 делений. Следовательно, по окружности в каждом делении шкалы содержится 2,14 мм. Цена деления на грубом масштабе (М х 10) составляет

(Нмакс'/2*п*г)*2,14=200,5 м. (15)

и на точном (М х 1):

(Нмакс"/2*п*г)*2,14=20,05 м. (16)

Таким образом, при измерении высоты с предельной точностью до половины деления шкалы отсчет может быть произведен с точностью до 10 или 100 м в соответствии с масштабами измерений.

Отсчет высоты производится в следующей последовательности. На грубом масштабе (М х 10) производится отсчет высоты и округляется до ближайшей меньшей величины, кратной 1500 м (рис.8) Затем на точном масштабе (М х 1) определяется высота, не учтенная при первом измерении. Сумма значений высот, полученных на обоих масштабах, будет представлять собой истинную высоту полета.

Ошибки обстановки или условий измерений возникают при продольных или поперечных кренах самолета ввиду значительной остроты характеристик направленности антенн радиовысотомера, так как измеряется не высота полета, а наклонная дальность до отражающей поверхности (рис.9).

Субъективные ошибки возникают при отсчете высоты и зависят от опытности оператора, производящего отсчет высоты по индикатору радиовысотомера.

Рис. 9. Ошибки в измерении высоты при эволюциях самолета

Точность РВ можно оценить суммарной погрешностью

sH=(n2sM2+M2 sn2)1/2 (17)

где n- разностная частота или период модуляции в зависимости от типа РВ; sН,sn-средние квадратические погрешности определения высоты и измерения параметра; sM-среднее квадратическое значение нестабильности масштабного коэффициента М.

Нестабильность масштабного коэффициентаприводит к погрешности

sH1= НsM/М. (18)

Существенного уменьшения данной погрешности добиваются, применяя специальное устройство для поддержания М= const (т. е. для сохранения постоянства TM/DfД или Fp1/DfД ).

Величина Мдля уменьшения суммарной погрешности должна быть по возможности малой, что достигается, главным образом, увеличением девиации частоты излучаемых ЧМ колебаний.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РЛС

Рисунок 2.1 – Структурная схема высотомера

Назначение элементов:

Генератор импульсов – задает длительность импульсов;

Генератор СВЧ– генерирует несущие колебания;

Аттенюатор – служит для ослабления сигнала;

Смеситель – выделяет разносную частоту между передаваемым и принятым колебанием;

ФНЧ (фильтр нижних частот) – выделяет разносную частоту;

Частотомер – измеряет разносную частоту между передаваемым и принятым колебанием;

Приемник – осуществляет усиление принятого колебания до необходимого уровня.