Система АСН с коническим сканированием диаграммы направленности

Функциональная схема одного из каналов данной системы изображена на

рисунке 5.1. На рисунке 5.4 изображена структурная схема систем АСН.

В рассматриваемую систему АСН входят следующие устройства:

- пеленгационное устройство (антенна - А, смеситель - СМ, гетеродин - Г,

усилитель промежуточной частоты - УПЧ, видеодетектор - ВД, детектор

огибающей - ДО, фильтр частоты сканирования - Ф, фазовый детектор - ФД,

Дв

Р

КП

КП

От канала азимута

У2

А

КЗ

У1

Исполнительное устройство

Усилительно-преобра-

Ф

ДО

ФД

ГОН

Г

УПЧ

СМ

ВД

зующее устройство

Приемник

U_стр

В канал

азимута

Пеленгационное устройство

« π/2»

В канал азимута

Рисунок 5.1 - Функциональная схема системы АСН с коническим сканированием диаграммы направленности (один канал)

Y Направл ение

максимума

Начало отсчета для азимутальной Цель

плоскости

А РСН

α₁ α₀

ψ₀

α₂ γ 0₁ X

υ γ₀

α

υ₂

0 υ₁

Начало отсчета для угломестной плоскости

Рисунок 5.2 -Пространственное представление метода

генератор опорного напряжения - ГОН );

- усилительно- преобразующее устройство (корректирующее звено - КЗ, электронный усилитель - У1, усилитель мощности - У2);

- исполнительное устройство (исполнительный двигатель - Д, редуктор - Р, карданный подвес - КП ).

В рассматриваемой системе [5, с.156; 7,c.286] с помощью излучения антенны в пространстве формируется узкая иглообразная диаграмма направленности шириной 1 -5 градусов, максимум которой смещается на угол γ₀от равносигнального направления (рисунок 5.2). Под действием сигнала с генератора опорного напряжения ГОН осуществляется вращение

(сканирование) луча диаграммы направленности с угловой скоростью Ω

(180-300 рад/сек) относительно равносигнального направления.

Вся информация об угловом положении цели заключена в огибающей

принятого сигнала: глубина модуляции определяет величину углового

отклонения цели γ oт равносигнального направления, а фаза огибающей

по отношению к фазе опорного напряжения с ГОН - направление

рассогласования. Подробное изложение принципов построения и работы системы с последовательным сравнением сигналов дано в [8].

Используя основное уравнение радиолокации, среднее значение

амплитуды импульсов на выходе УПЧ можно записать в виде

где k_п - коэффициент передачи высокочастотной преобразующей части

ПРМ, k_УПЧ - коэффициент усиления УПЧ, g_вх - входная проводимость смесителя, G (γ₀)- нормированное значение коэффициента направленного действия антенны в точке максимума γ₀ , работающей на излучение и

прием, γ₀-угол смещения максимума диаграммы направленности от

равносигнального направления .

На практике k_п = 0,25- 0,3; g_вх = 0,02 Сим.

Коэффициент амплитудной модуляции принятого сигнала от цели

, где - нормированное значение

крутизны диаграммы направленности в точке максимума β = γ₀.

Для параболических отражателей можно задаться следующей функцией

G(β)

, [град],

где β- текущее значение угла. Тогда k_m= 5,6 γ₀ / θ₀². Причем k_m принимает максимальное значение при γ₀ = 0,43 θ₀.

Среднеквадратическое значение выходных шумов УПЧ определяется выражением

где Δƒ_ш - шумовая полоса УПЧ, для согласованного ПРМ составляющая

1 /τ_и , k_ш - коэффициент шума УПЧ (k_ш = 3÷4); R_Э - эквивалентное

входное сопротивление УПЧ (R_Э≈ 150 Ом). Обычно после УПЧ в

современных системах используются линейные амплитудные детекторы.

Уровень выходного сигнала УПЧ, при котором возможно линейное детектирование, зависит от типа детектора и составляет приблизительно

2-3 В.

При расчетах можно полагать, что независимо от дальности до цели и ее эффективной площади рассеяния уровень полезного сигнала, принятого на

равносигнальном направлении, значительно превышает уровень собственных шумов ПРМ. При отношении сигнала к шуму на входе линейного детектора, большем 3-4, отношение сигнала к шуму на выходе линейного детектора близко к половине соответствующего отношения на входе детектора.

Таким образом, можно считать, что на выходе линейного детектора будет

последовательность видеоимпульсов со средним значением (5.1), промодулированных по амплитуде напряжением частоты сканирования

с коэффициентом модуляции m и широкополосный шум со

среднеквадратическим значением .

С видеодетектора ПРМ видеоимпульсы поступают на детектор

огибающей (пиковый детектор), затем в фильтр частоты сканирования, после

которого сигнал поступает на два квадратурных фазовых детектора: угла

места, азимута. При рассмотрении только одного углового канала,

максимальное значение полезного сигнала в канале управления

, (5.3)

где - коэффициент передачи фильтра частоты сканирования

( ≈0,7-0,9); - коэффициент передачи фазового детектора,

γ - угловое положение цели.

Выражение (5.3) позволяет определить крутизну пеленгационной

характеристики

.(5.4)

Основная мощность шума на выхода детектора огибающей сосредоточена

в области частот 0 - . Учитывая, что период следовании импульсов

значительно меньше периода сканирования, спектральную мощность шума в полосе фильтра частоты сканирования можно считать постоянной и равной

. При этом уровень возмущающего воздействия (белого

шума), отнесенного к входу системы, будет иметь следующий вид

. (5.5)

После подстановки (5.4) в (5.5) окончательно получим

, (5.6)

где n - отношение сигнал/шум на выходе УПЧ.

Как уже отмечалось, для осуществления линейного детектирования в

ПРМ с «сильным» сигналом необходимо обеспечить на выходе УПЧ

n≥ 3÷4.

Выражения (5.1), (5.2) позволяют определить необходимую для этого

мощность ПРД

Полученные значения крутизны пеленгационной характеристики ,

уровня помехи N_ш и данные о входном воздействии, его производной и ускорении, о чем студентам специальности 210304(201600) известно из курса «Радиоавтоматика», позволяют произвести динамический синтез всей

системы АСН и рассчитать ошибки углового сопровождения.

Моноимпульсные системы АСН

Функциональная схема одного из каналов амплитудно-амплитудной системы АСН изображена на рисунке 5.3.

В рассматриваемую систему АСН входят следующие устройства:

- пеленгационное устройство, содержащее два идентичных приемных канала ( смеситель - СМ, усилитель промежуточной частоты - УПЧ,

видеодетектор - ВД, детектор огибающей - ДО, антенну - А, гетеродин - Г

От канала азимута

I А

Дв

Р

КП

γ₀

γ₀

II Исполнительное устройство

КЗ

У2

У1

U Усилительно-преобразующее

устройство

УПЧ1

ДО1

ВД1

СМ1

Г

Приемник 1 u_I

АР

U_стр

ДО2

ВД2

УПЧ2

СМ2

Δu

u_II

Приемник 2

Пеленгационное устройство

Рисунок 5.3 - Амплитудно-амплитудная моноимпульсная система

Пеленгационное Усилительно-преобразующее устройство

устройство

kу 1+Tуp

kЭУ

Wк (p)

kпл

x u_кu_У1 u_У2

υ_вх

kдв p (1+ Tдвp)

kр

υ_вых υ_дв

u_дв

Исполнительное устройство

Рисунок 5.4 - Структурная схема систем АСН

и амплитудный различитель - АР (схема вычитания));

- усилительно- преобразующее и исполнительное устройства,

аналогичные выше рассмотренной системе АСН.

Проанализируем амплитудно-амплитудную моноимпульсную систему АСН [5,с.159; 7; 8,с.300]. Диаграмма направленности антенны этой системы в одной плоскости управления состоит из двух пересекающихся лепестков, каждый из которых относится к определенному каналу преобразования сигналов. Такая диаграмма может быть получена, например, путем взаимного смещения облучателей на небольшое расстояние от фокальной точки по обе стороны оси параболоида. При симметричных диаграммах направленности ось параболоида совпадает с равносигнальным направлением данной плоскости. Для выделения информации необходимо сравнивать амплитуды сигналов обоих каналов.

При отклонении цели от равносигнального направления на выходе схемы сравнения появляется сигнал ошибки, под действием которого исполнительное устройство разворачивает антенну, совмещая ее равносигнальное направление с направлением на цель. Очевидно, что крутизна пеленгационной характеристики будет зависеть от уровня принятого сигнала и коэффициента усиления устройств обработки и усиления. Чтобы исключить эту зависимость, необходимо поделить амплитуды сигналов двух каналов. Практически такое деление выполняется путем использования логарифмических усилителей промежуточной частоты в каналах ПРМ.

При анализе такой простой системы АСН используется методика,

принятая для системы с коническим сканированием.

Напряжение на выходе схемы сравнения

, (5.8)

где . U₀ -амплитуда импульсов от цели, находящихся на равносигнальном направлении, u_шI иu_шII - независимые

шумы в приемных каналах.

Таким образом, с учетом (5.4) и (5.8), крутизну пеленгационной

характеристики простой моноимпульсной системы можно записать в виде

.(5.9)

Учитывая, что основная мощность шума на выходе схемы сравнения сосредоточена в области от 0 до , а также используя (5.8) и (5.9), уровень «белого шума», приведенного к входу системы, можно представить

, (5.10)

При этом мощность ПРД, необходимая для получения отношения

сигнал/шум на выходе УПЧ, равного n , и обеспечивающая надежную работу системы АСН, определяется соотношением (5.7).

Функциональная схема одного из каналов моноимпульсной системы с суммарно-разностной обработкой изображена на рисунке 5.5. В нее входят следующие устройства:

- пеленгационное устройство (антенна - А, фазирующее кольцо - ФК на

волноводах или коаксиальных кабелях, смесители - СМ суммарного и

разностного каналов, гетеродин - Г, усилители промежуточной частоты - УПЧ суммарного и разностного каналов, устройство быстрой автоматической регулировки усиления - БАРУ, фазовый детектор - ФД, детектор огибающей - ДО);

- усилительно- преобразующее и исполнительное устройство, аналогичное предыдущим системам АСН.

L

u₁

ΔL

О О₁

ΔL

u₂ а)

Антенная система

Дв

Р

КП

А

Исполнительное устройство

У2

У1

КЗ

Усилительно-преобразующее

Приемник1 устройство

УПЧ∑

СМ∑

u_∑

ДО

Г

СМΔ

УПЧΔ

БАРУ

ФД

ФК

u_Δ U_стр

Приемник 2 б)

Пеленгационное устройство

Рисунок 5.5 - Моноимпульсная амплитудная суммарно-разностная РЛС:

а) антенная система; б) функциональная схема системы АСН

Антенная система, рассматриваемой системы АСН, подобна антенне

обычной моноимпульсной системы. С помощью фазирующего кольца ФК на несущей частоте образуются сигнал рассогласования, пропорциональный

угловому отклонению цели от линии равных сигналов u_Δ , и опорное

суммарное напряжение u_∑ . Сигналы u_Δ и u_∑, после преобразования

поступают на входы фазового детектора ФД. При этом на выходе ФД

появляется постоянное напряжение (сигнал ошибки), которое после усиления и преобразования подается на исполнительный двигатель.

Каналы азимута и угла места отличаются только тем, что входные

сигналы пеленгационного устройства снимаются с вибраторов антенны, расположенных в разных плоскостях. В фазирующем кольце разностный сигнал в каждой из плоскостей сдвигается по фазе на угол π /2.

В современных системах антенные системы выполняются с применением фазированных антенных решеток. Фазированная антенная решетка (ФАР) - антенная решетка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) ее элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН – луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и таким образом осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча. В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (например, плоской – в так называемых плоских ФАР, цилиндрической, сферической) или в заданном объеме (объемные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва , определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ, формой корпуса ракеты).

Важную роль играет, стоящее в ПРМ системы, устройство БАРУ (быстрой автоматической регулировки усиления), работающее по сигналу суммарного канала. Благодаря БАРУ крутизна пеленгационной характеристики остается неизменной. При большом соотношении сигнал/шум влияние шумов на работу БАРУ можно не учитывать. Напряжение регулирования, поступающее с БАРУ,

, (5.11)

где k_р- коэффициент передачи цепи БАРУ. Тогда напряжение на выходе

УПЧ разностного канала

, (5.12)

где k_a - постоянный коэффициент, измеряемый в вольтах, .

Для простоты рассуждений пренебрежем собственными шумами в

суммарном канале. Тогда напряжение на выходе УПЧ суммарного канала

запишется в виде

.(5.13)

Для малых значений угла рассогласования γ можно считать, что

амплитуда сигнала разностного канала значительно меньше суммарного. В этом случае напряжение на выходе ФД

, (5.14)

где

. (5.15)

В (5.15) дисперсия шума σ_ш² определяется выражением (5.2). После

подстановки (5.11) в (5.15) получим

, (5.16)

где, как и прежде, .

С выхода ФД напряжение подается на детектор огибающей, который

практически не изменяет энергетических соотношений входных сигналов.

Окончательно крутизна пеленгационной характеристики

, (5.17)

а уровень возмущающего воздействия, приведенного к входу системы,

. (5.18)

В выражении (5.17) остались неопределенными коэффициенты k_а и k_р.

Строгий анализ работы схемы БАРУ является громоздким и отличается от

анализа обычных линейных САУ. При выполнении определенных условий

можно показать, что для статической системы БАРУ при 10% нестабильности выходного сигнала суммарного канала, требуется k_р = 100.

Поскольку в (5.17) выбор коэффициента k_а диктуется практическими соображениями по обеспечению необходимого значения крутизны

пеленгационной характеристики , положим k_а= 100 В.

Мощность ПРД, необходимая для получения соотношения сигнал/шум на выходе УПЧ, равного n , определяется выражением (5.7).

Ясно, что в данных методических указаниях приведены не все типы моноимпульсных систем АСН. Рядом достоинств обладают фазовые моноимпульсные системы [7], но для учебных целей при выполнении курсовой работы студенты могут ограничиться амплитудными системами АСН.

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авиационные системы радиоуправления. В 3-х томах. Т. 3. Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения / под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова ; Радиотехника. М., 2004.

2. Основы радиоуправления. Учебное пособие для вузов / под редакцией В.А. Вейцеля и В.Н. Типугина; Сов. Радио. М., 1973.

3. Основы радиоуправления: Учеб. пособие для вузов / под ред.

В.А. Вейцеля; Радио и связь. М., 1995.

4. Вейцель, В.А. Проектирование командно-измерительной радиолинии системы управления летательным аппаратом: учебное пособие / В.А.Вейцель, Л.В. Березин ; МАИ. М., 1984.

5. Радиотехнические системы. Учебник для вузов / под редакцией А.И. Дымовой; Сов. Радио. М., 1975.

6. Задачник по курсу « Основы теории радиотехнических систем».

Учебное пособие для вузов / под ред. П.А. Бакулева и В.А. Вейцеля; Радио и связь. М., 1996.

7. Зайченко, К. В. Радиоэлектронные измерительные устройства: учебное пособие / К. В.Зайченко, Р.Ю. Багдонас, Л.А. Кулыгина ; ГААП. СПб.,1993.

8. Радиотехнические системы: учебник для вузов / под редакцией Ю.М. Казаринова; Советское радио. М., 1968.

9. Кулин, А.Н. Изучение устройства, работы и взаимодействия

агрегатов управляемого реактивного снаряда класса «воздух-воздух»: методические указания к выполнению лабораторной работы / А.Н. Кулин; ГУАП. СПб., 2004.

10. Васин, В.В. Задачник по радиолокации / В.В. Васин, Б.М. Степанов. М.:

Советское радио, 1969.

11. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебник для вузов / под ред. В.Н.Гордиенко и В.В. Крухмалева; Горячая линия – Телеком.М., 2004.

12. Марковский, В. Советские авиационные ракеты «воздух-воздух» / В. Марковский, К. Перов. М.: ЭКСПРИНТ, 2005.

13. Львова, Л.А. Радиолокационная заметность летательных аппаратов: монография / Л.А. Львова. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2003.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………….3

1. Методические указания по проектированию

систем командного радиоуправления…………………………….4

2. Порядок курсового проектирования……………………………...6

3. Варианты заданий на курсовое проектировние………………...18

3.1. Типы систем КРУ………………………………………….18

3.2. Варианты заданий по проектированию

командных радиолиний……………………………………19

3.3. Проектирование пеленгационного устройства…………..20

4. Методические указания по расчету

тактико-технических показателей……………………………….24

5. Методические указания по проектированию

системы АСН (пеленгатору)……………………………………...31

5.1. Система АСН с коническим

сканированием диаграммы направленности……………..31

5.2. Моноимпульсные системы АСН………………………….36

Указатель литературы……………………………………………….44

[1] ЭПР (ЭОП) сложных реальных объектов измеряются на специальных установках, или полигонах, где достижимы условия дальней зоны обнаружения