Проектирование пеленгационного устройства

Тип пеленгационного устройства выбирается с преподавателем после формулирования задания по п. 3.1, 3.2.

Варианты исходных данных к проектированию приведены в табл. 3.1 , где приняты следующие обозначения:D - дальность до цели; Δθ -

разрешающая способность по угловым координатам; ΔD - разрешающая

способность по дальности; λ - длина волны излучаемой электромагнитной

энергии.

Пеленгационное устройство (ПУ) задано указанием его типа, который

сокращенно обозначается: КС – устройство с коническим сканированием

диаграммы направленности; ПМ - простое моноимпульсное устройство

амплитудного типа; МСР- моноимпульсное суммарно-разностное

устройство (амплитудное).

В задании приняты следующие условные обозначения типа цели: ЛМ-

летательный аппарат с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР); ЛС-

летательный аппарат со средней ЭПР; ЛБ- летательный аппарат с большой

ЭПР; ТМТ- транспорт малого тоннажа; ТСТ- транспорт среднего тоннажа; ТБТ- транспорт большого тоннажа; НОБП- наземный объект большой площади; НОМП- наземный объект малой площади.

При проектировании следует также учесть условия работы системы:

бортовая, наземная. Они определяются в ходе проектирования студентами

самостоятельно.

Приступая к проектированию, необходимо внимательно

ознакомиться с теоретическим материалом по расчету характеристик всех

пеленгационных устройств, уяснить смысл всех технических данных по

проектированию системы КРУ в целом и отдельных узлов системы.

Расчет следует начинать с определения основных тактико-технических

данных всей системы АСН. Используя указанные в задании величины

дальности до цели D , разрешающей способности по дальности ΔD и Δθ

угловым координатам, рассчитываются ширина диаграммы направленности

антенны θ₀ , длительность импульса τ_и , шумовая полоса УПЧ Δƒ_ш и

период повторения импульсов Т_п . Полученное значение θ₀ позволяет

определить эффективную площадь поверхности антенны S_А.

Положив соотношение сигнал/шум qна выходе УПЧ равным 10-15 и

используя указанные в задании величины D , λ , а также результаты

расчетов величин S_А и Δƒ_ш, определяется мощность передатчика Р_изл ,

обеспечивающая надежную работу всей системы АСН. При этом значения

эффективной площади рассеяния цели S_ц , тип которой указан в задании,

берутся из таблицы 3. 2. Далее определяется коэффициент усиления УПЧ k_УПЧ, обеспечивающий среднее значение амплитуды импульсов на выходе УПЧ, равное 2-3 В (для линейного детектирования сигнала в приемнике).

С учетом типа пеленгационного устройства и ранее произведенных

расчетов определяется значение крутизны пеленгационной характеристики k_пли уровня N_ш возмущающего воздействия (белого шума), приведенного к входу системы.

Исходные данные к проектированию пеленгатора. Таблица 3.1

№	Тип ПУ	D , км	Δθ, град	ΔD , м	λ ,м	Тип цели
	КС				0,03	ЛМ
	КС				0,02	ЛС
	КС				0,03	ЛС
	КС		0,5		0,015	ЛМ
	КС				0,05	НОБТ
	КС				0,03	ТМТ
	КС				0,02	ТСТ
	ПМ		0,5		0,03	ЛМ
	ПМ				0,02	ЛС
	ПМ				0,05	НОМП
	ПМ				0,03	ЛБ
	ПМ		0,5		0,015	ЛМ
	ПМ				0,03	ТБТ
	ПМ				0,04	НОМТ
	ПМ				0,1	ТСТ
	МСР				0,03	НОБТ
	МСР				0,015	ЛМ
	МСР				0,03	ЛС
	МСР				0,03	ЛБ

Среднее значение эффективной отражающей поверхности для некоторыхобъектов приведено в таблице 3.2 [5,10,13 ] [1].

Эффективные отражающие поверхности некоторых целей. Таблица 3.2

Тип цели	Sэф ц , м2
Самолет-истребитель	3…5
Фронтовой бомбардировщик	7…10
Тяжелые бомбардировщики	13…20
Бомбардировщик B-52
Беспилотный самолет-разведчик
Транспортный самолет	40…70
Зенитная управляемая ракета	0,02
Головка баллистической ракеты	0,03…0,05
Крылатая ракета ALKM (при длине волны 0,8 мм)	0,07…0,8
Боевая часть оперативно-тактической ракеты	0,15…1,6
Малые суда (водоизмещением до 200 т)	50…200
Средние корабли (водоизмещением 1000…10000 т)	(3…10)2
Большие корабли (водоизмещением более 10000 т)	100 и более
Крейсер	(12…14)3
Подводная лодка (в надводном состоянии)	30…150
Рубка подводной лодки в надводном положении	1..2
Автомобиль	1..3
Человек	0,8…1
Танк (при длине волны 0,8 мм)	1…10

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ТАКТИКО-

ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

При расчете параметров антенного устройства,основными из которых являются:

1) максимальный коэффициент направленного действия по мощности

,(4.1)

или

, (4.2)

где Ω_А- телесный угол луча в стерадианах, S_А - эффективная

поглощающая поверхность антенны;

2) ширина диаграммы направленности на уровне 0,7 по напряжению и на

уровне 0,5 по мощности

, (4.3)

где d - диаметр антенны в плоскости сечения луча, λ - длина волны;

при неравномерном возбуждении антенны

(4.4)

учитываются следующие требования:

1. Обеспечение заданной разрешающей способности по угловым координатам и точности измерения угловых координат.

2. Обзор зоны действия за заданное время без пропусков в приеме полезных сигналов.

3. Наиболее целесообразное использование мощности излучения.

Обычно диаметр антенны определяется условиями размещения. Например, если антенна находится в носовой части ракеты, то диаметр антенны не может быть больше диаметра корпуса ракеты. В первом приближении разрешающая способность по углу соответствует ширине диаграммы направленности (в азимутальной или угломестной

плоскостях).

Уравнения (4.l) - (4.4) устанавливают зависимость между θ₀ , λ и d .

Вспомним, что в ряде случаев диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости может иметь косекансную форму. Это дает выигрыш по мощности

, (4.5)

здесь - угловой размер вертикального луча, β_max-

максимальное значение угла места, β₀- значение угла мертвой зоны.

При выборе параметров сигналаследует иметь в виду следующее.

Несущая частота или длина волны оказывают существенное влияние как

на тактические показатели электронных устройств систем управления, так и на способы обработки сигналов, обеспечивающие необходимую

помехозащищенность, на конструктивные решения.

В радиодиапазонах электромагнитных колебаний находят применение

метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны.

Целесообразность использования метровых и дециметровых волн

определяется следующими возможностями их применения. Практически отсутствуют потери ВЧ энергии при ее распространении в атмосфере. Возможно усиление отраженного сигнала по высокой частоте, что повышает

избирательность ПРМ. Пороговая мощность оказывается более низкой, так как коэффициент шума ПРМ сравнительно мал. Наличие лепестковой диаграммы направленности позволяет при той же мощности излучения в импульсе увеличивать дальность действия в направлении максимумов лепестков в два раза.

Численное значение длины волны может быть определено в зависимости

от требуемого минимального угла места β₀ нижнего лепестка, размеров

антенны, ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

При выборе λ следует помнить, что период высокочастотных

колебаний, как минимум, должен в 50-100 раз быть меньше выбранной длительности импульса. Объясняется это тем, что высокочастотные колебания нарастают и спадают не мгновенно, а по экспоненциальному закону. Процесс установления колебаний описывается выражением

,

где α - коэффициент затухания. Например, для установления амплитуды

колебаний за время t =τ , равное 0,95 U_mнеобходимо выполнение условия

ατ ≥ 3.

Учитывая, что

,

где Q добротность колебательной системы; T_вч - период высоко-частотных колебаний, получаем τ_и ≥ Q·T_вч . Например, если Q = 100, то τ_и≥100T_вч.

Использование волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов

позволяет:

- уменьшить размеры антенны, так как при заданном коэффициенте

направленного действия ее площадь примерно пропорциональна квадрату длины волны;

- создать более узкие диаграммы направленности, что повышает

разрешающую способность по углу, точность измерения угловых координат

и уменьшение помех от одновременно отражающих площадей и объемов;

- использовать более короткие импульсы в случае повышенных требований к разрешающей способности по дальности и минимальной дальности;

- уменьшить габариты и вес всего устройства в целом.

Однако по мере уменьшения длины волны в большей степени начинают

влиять факторы, снижающие дальность действия (поглощение в атмосфере), возрастание пороговой мощности приемоиндикаторного устройства и др. Усиливаются метеорологические помехи, особенно для волн короче 3 см.

Наиболее тщательный учет всех причин, снижающих дальность действия необходим для мм длин волн.

Численные значения длин волн см диапазона в основном определяются допустимыми размерами антенн и условиями распространения в атмосфере.

Следует также учитывать, что точность измерения координат объектов

зависит от особенностей распространения радиоволн (преломление, огибание и др.) и их переизлучения (флюктуации, блуждание «блестящих» точек и др.).

В начале значение длины волны получают на основании уравнения (4.4), а затем проверяют, какое число длин волн уложится в импульсе (оно должно

быть не менее 50) или за время длительности переднего фронта импульса.

С помощью графиков затухания волн [10, с.72] находят суммарные потери

- δв Дб/км.

Длительность импульса выбирается на основании требования к

разрешающей способности по дальности, т.к. ,то

. (4.6)

Форма импульса и длительность его фронта зависит от требований,

налагаемых методами обработки сигнала, свойствами систем СДЦ, АСД и

АСН. В частности, если дальность измеряется по переднему фронту, то в общем случае

, (4.7)

где ε_{D max} - абсолютное значение максимальной ошибки измерения

дальности.

Период повторения импульсов связан с максимальной дальностью и

берется с некоторым запасом, который учитывает время, необходимое для восстановления в различных точках электронных схем начальных условий,

соответствующих моменту излучения следующего импульса (схемы

временных разверток, цифровые устройства, запоминающие устройства и

т.п.).

Обычно

. (4.8)

В некоторых случаях период повторения может вобулироваться (вспомним дисциплину «Радиолокационные системы»: системы

СДЦ, борьба со «слепыми» скоростями). Если с целью увеличения энергии сигналов за время наблюдения период повторения уменьшают, то

необходимо предусмотреть меры, исключающие неоднозначность при

измерении дальности.

При расчете мощности излучения ПРД необходимо руководствоваться формулой основного уравнения дальности радиолокатора, которое для случая активной радиолокации с пассивным ответом имеет следующий вид:

где D_max - максимальная дальность излучения, P_изл - мощность

излучения, G_А - коэффициент направленного действия антенны, S_А -

эффективная отражающая поверхность антенны, S_ц - эффективная площадь рассеяния цели, P_{пор min} - минимальная пороговая мощность сигнала

приемного устройства, k_α - коэффициент уменьшения дальности, вызванный потерями в высокочастотном тракте передатчик-антенна, антенна-приемник, потерями, учитывающими влияние диаграммы направленности антенны при сканировании. δ- потери в дБ/км при распространении электромагнитной энергии: δ = δ₁ + δ₂+ δ₃ , где δ₁ - потери в дожде, δ₂ - потери в кислороде воздуха, δ₃ - потери в тумане [10, с.72].

Мощность излучения связана импульсной и средней мощностью

формулой

, (4.10)

где N - число импульсов в пачке; Q -скважность; τ_и - длительность импульса; - период повторения импульсов.

Особое внимание при расчете максимальной дальности РЛС обычно

обращают на расчет порогового сигнала P_{пор min} . Пороговый сигнал

определяет ту минимальную мощность сигнала на входе ПРМ, при которой

он будет обнаружен с заданной степенью вероятности - P_обн, а

вероятность ложной тревоги не превзойдет заданной величины P_лт.

Предполагается, что цель нефлюктуирующая.

Минимальный пороговый сигнал

. (4.11)

Здесь k = 1,38·10^-23 дж/град - постоянная Больцмана; абсолютная

температура Т₀ = 300 град; - коэффициент различимости, учитывающий потери α_iв отдельных трактax прохождения сигнала; k_ш-коэффициент шума ПРМ; ∆ƒ - полоса пропускания ПРМ, - отношение сигнал/шум по мощности.

Обычно принимают . При меньшем значении полосы ∆ƒ

уменьшается мощность шумов, но уменьшается и сигнал, так что выигрыша

в P_{пор min} не происходит. При расширении полосы энергия сигнала

остается прежней, а шумы возрастают, отсюда и ухудшение P_{пор min}

(пороговый сигнал увеличивается).

Коэффициент шума характеризует шумовые свойства приемного тракта.

Он определяется в основном первым каскадом, причем на СВЧ первый

каскад - преобразовательный. Поэтому шумовые характеристики последующих каскадов обычно не учитываются.

В первом приближении можно полагать коэффициент шума для частот

100000 МГц – 17 дБ, для частот 3000 МГц – 15 дБ и для частот 200 МГц – 6 дБ.

Окончательно формула для максимальной дальности запишется

Эта формула справедлива как для импульсного режима, так и для

непрерывного. Для импульсного P_ср - это средняя мощность за период

следования импульсов. Для непрерывного режима T_н -время наблюдения (приема или обработки сигналов), т.е. P_ср ·T_н – энергия принятого сигнала, для импульсного режима - ∆ƒ = 1/ T_н.

Для РЛС с активным ответом:

по каналу запроса (З)

по каналу ответа (О)

В качестве дальности действия ракеты при указании ее тактико-технических данных обычно указывают дальность полета ракеты в идеальных условиях, что в некоторой степени вводит в заблуждение. Эффективная дальность полета ракеты зависит от многих факторов: высоты пуска и цели, скорости самолета носителя и цели, ракурса пуска и относительного местоположения цели и самолета-носителя. Например, российская ракета Р-77 имеет дальность действия 100 км, однако такая дальности достигается только при пуске по неманеврирующей, находящейся в передней полусфере цели на большой высоте. При пуске на низкой высоте эффективная дальность пуска ракеты может составить только 20-25 % от максимальной. Если цель активно маневрирует или ракета пущена в заднюю полусферу уходящей скоростной цели эффективная дальность пуска может уменьшится еще больше. Эта зависимость в полной мере присуща всем ракетам «воздух-воздух». В англоязычной литературе эффективная дальность пуска, то есть дальность, при которой цель не сможет уклониться от выпущенной по ней ракете, обозначается как no-escape zone [12].