|  Проектирование радиолокационной станции для обнаружения надводных целей в пределах речного шлюза Уст... |
Таблица 1.2 –
Тактико-технические характеристики РЛСО
|
|
Параметр
|
Стационарная
РЛС
|
Патрульная
РЛС
|
|
Дальность
обнаружения:
|
|
|
|
- человека
|
1,2
|
0,6
|
|
- автотранспорта
|
2
|
1
|
|
Разрешающая
способность:
|
|
|
|
- по азимуту
|
4˚
|
8˚
|
Продолжение таблицы 1.2
|
|
Параметр
|
Стационарная
РЛС
|
Патрульная
РЛС
|
|
- по дальности
|
20 м
|
20 м
|
|
Излучаемая
мощность:
|
25
мВт
|
25
мВт
|
|
Потребляемая
мощность:
|
100
Вт
|
25 Вт
|
|
Масса
|
20 кг
|
6 кг
|
Вышеприведенные радиолокационные системы сходны с той, что
разрабатывается в дипломном проекте по назначению, основным функциям и
техническим характеристикам. Проектируемая РЛС так же предназначена для
наблюдения за целями на земной или водной поверхности и характеризуется схожими
техническими параметрами, такими как дальность действия, излучаемая мощность,
разрешающая способность и время обзора. То есть существование подобных станций
не исключает возможности реализации подобного проекта.
2 ВЫБОР ВИДА ОБЗОРА
Как уже говорилось, в дипломном
проекте требуется разработать радиолокационную станцию обнаружения надводных
целей, чему и будет посвящена основная часть.
На рисунке 2.1 приведена карта-схема усть-каменогорской ГЭС, на
которой видно размещение шлюза, его размеры и разность уровней воды.
Рисунок 2.1- Усть-Каменогорска ГЭС
Одним из первых вопросов, на которые
нужно ответить, приступая к проектированию станции, является вопрос о виде
излучаемых колебаний: непрерывные или импульсные. РЛС с непрерывным излучением
характеризуются (по сравнению с импульсными) более низкой чувствительностью,
трудностями измерения и разрешения по дальности; их достоинствами являются
относительно низкая мощность излучаемых колебаний и лучшее качество селекции
целей по скорости. Так как нет потребности в высокой чувствительности на
подобных расстояниях; разрешение по дальности на малых расстояниях требует
импульсов длительностью порядка нескольких наносекунд, что очень сложно
реализовать, то целесообразно реализовать радиолокационную станцию с
непрерывным излучением. А разрешение по дальности обеспечим с помощью двухпозиционной
системы.
Для наилучшего обзора всего шлюза
приемную и передающую антенны лучше расположить у ворот входа или выхода шлюза,
и на некотором возвышении, чтобы они не мешали проплывающему транспорту. Удобно
разместить их на здании, в котором находятся установки по подъему ворот.
Для лучшего разрешения по дальности
необходимо достаточно большое расстояние (базис) между антеннами, однако, по
понятным причинам, для полноценного обзора базис не должен превышать ширину
шлюзовой камеры, которая составляет 18 м.
Рисунок 2.2 – Схема размещения антенн на речном шлюзе
На рисунке 2.2 приведена схема
размещения приемной и передающей антенн на шлюзе, где: 1 – ворота шлюза; 2 –
здание-арка; 3 – приемная и передающая антенны; 4 – шлюзовая камера; 5 –
водохранилище гидроэлектростанции; 6 – элемент разрешения РЛС.
3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАССЧЕТ
3.1
Расчет основных тактико-технических РЛС
Произведем расчет основных тактико-технических характеристик
проектируемой РЛС с учетом предъявляемых к ней требований и выполняемых функций.
Длина волны и геометрические размеры антенны определяют ширину
диаграммы направленности антенны РЛС. Для наиболее распространенных в настоящее
время зеркальных антенн справедливо соотношение:
(2.1.1)
где θ0,5
– ширина диаграммы направленности по половинной мощности;
dа
– размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости;
λ
– длина волны.
При заданном максимальном размере
антенны реализовать значение ширины луча, требуемое для обеспечения желаемого
разрешения, можно вариацией длины волны. Так как реальная разрешающая
способность по угловой координате:
где γφ
– коэффициент ухудшения потенциальной разрешающей способности, то для
обеспечения требуемого разрешения длина волны с учетом (2.1.1) должна быть
равна:
(2.1.2)
Для большинства
существующих радиолокационных станций значение γφ=1…1,5.
Формула (2.1.2) определяет значение длины волны, при котором обеспечивается
требуемая разрешающая способность по угловой координате.
Зададимся γφ=1,25, размер антенны dа=1,5м.
и ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости θE0,5=2˚
, тогда длина волны:
Вертикальный размер антенны определяется шириной диаграммы
направленности в вертикальной плоскости, которую выбираем исходя из
необходимости облучать сразу всю зону обзора по дальности. Зона обзора по
дальности есть длина шлюзовой камеры.
Так как длина шлюза составляет 100 м, а высота подвеса
сканирующей антенны 15 м, то:
Уже зная длину волны и ширину диаграммы направленности в
вертикальной плоскости, из формулы (2.1) найдем вертикальный размер антенны:
На практике при определении длины волны РЛС, как правило, приходится
исходить из требований, связанных с выбором энергетических показателей станции,
определяющих дальность действия РЛС.
На рисунке 2.1.1 приведены графики, иллюстрирующие зависимость
требуемой энергии передатчика от длины волны. При построения графиков энергия
излучения на волне l=25 см (Е25) принималась за единицу и определялось
отношение Еl/Е25 с учетом поглощения энергии в дожде интенсивностью 4
мм/ч и в кислороде на всей дальности действия. Из рисунка1 видно, что для
каждой дальности действия Rmax существует оптимальное значение длины волны l при котором требуемая энергия излучаемых
колебаний достигает минимума. Если длину волны брать больше оптимальной,
то необходимая энергия излучения увеличивается относительно медленно, но при
уменьшении длины волны по сравнению с l необходимая энергия излучения возрастает очень
быстро.
Рисунок 3.1 – Зависимость излучаемой энергии от длины волны
Из рисунка видно, что длина волны
λ=4 см находится правее минимальной энергии для необходимого расстояния и
не требует больших энергетически затрат.
Положение цели в зоне обзора будет
находиться по двум азимутальным углам, определенным передающей и приемной
сканирующей антенной, и базису – расстоянию между этими антеннами.
Определим мощность излучения,
необходимую для обнаружения целей с заданными вероятностями правильного
обнаружения и ложной тревоги на требуемом расстоянии. Это не сложно сделать,
воспользовавшись уравнением дальности для двухпозиционной системы [8]:
(2.1.3)
где Pt
–мощность передатчика РЛС;
Rmax
– максимальная дальность обнаружения целей;
Gt
– коэффициент направленного действия передающей антенны;
Gr
– коэффициент направленного действия приемной антенны;
λ –
длина волны;
Pt
– мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника;
σц
– эффективная площадь рассеяния цели (по таблице 2.2 из [11] для лодки σц=5 м2).
Рассчитаем недостающие составляющие в уравнение (2.1.3).
Мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника или пороговый
сигнал обнаружения выразим через характеристики приемника:
где q – отношение сигнал/шум на входе
приемника, необходимое для обнаружения целей с заданными вероятностями;
k0 – постоянная Больцмана
1,38·10-23 Дж/К;
Fs – коэффициент шума (для большинства
приемников равен 6…9);
T0 – температура
окружающей среды 290 К;
Вn – шумовая
полоса пропускания преддетекторного фильтра приемника;
Так как вероятность правильного обнаружения Рпо=0,95 и
вероятность ложной тревоги Рлт=10-4, то по рис. 4.3 из [11] определяем отношение сигнал/шум q=32 дБ или q=1585. Зададимся шумовой полосой пропускания приемника, Вn=±100
Гц, так как скорость движения целей в шлюзе не превышает 2 м/с, то максимальный
доплеровский сдвиг при длине волны l=0,04 м составит fд=100Гц.
Рассчитаем коэффициент направленного действия передающей и
приемной антенны по формуле [9]:
где Sэф –
эффективная площадь раскрыва антенны равная Sэф=0,25·π·l1· l2,
l1 и l2 линейные размеры антенны.
Таким образом, с учетом
вышеприведенных соотношений, уравнение дальности примет вид:
Мощность передатчика составляет 30 мВт.
Радиолокационная система будет производить последовательное
сканирование зоны обзора. Местоположение цели будет определяться по пересечению
узконаправленных лучей диаграмм направленности приемной и передающей антенн. На
каждый элемент разрешения передающей антенны приходится один период обзора
приемной антенны (см. рис. 2.1.2).
Рисунок 3.2 –Метод обзора шлюзовой камеры
Чтобы определить период обновления информации зададимся периодом обзора
приемной антенны. Пусть он равен Тобз. пр.=1 с, так как меньший
период обзора сложно будет реализовать ввиду инерционных свойств антенны, а
увеличение периода обзора негативно влияет на время обновления информации.
Таким образом, если Тобз. пр.=1 с, и за это время передающая
антенна должна “освещать” один элемент разрешения по
азимуту, то:
(3.4)
где Фаз
– зона обзора по азимуту;
θаз
– разрешающая способность по азимуту.
Период обзора передающей антенны равен времени обновления информации на
индикаторе.
Из (2.1.4) следует что, время облучения цели равно Тобл.=1
с, а время наблюдения отраженного сигнала Тнаб.=1/45=0,022 с.
Из произведенных расчетов видно, что
тактико-технические характеристики не противоречат техническому заданию и
сравнимы с параметрами аналогичных РЛС, рассмотренных в первой главе.
3.2 Расчет влияния отражений от поверхности воды
Проектируемая радиолокационная станция
осуществляет наблюдение за объектами внутри шлюза.
При обзоре водной поверхности, поступающие на вход РЛС отраженные
сигналы, несут информацию как о находящихся в зоне обзора объектах, так и о
физических свойствах водной поверхности, что в данном случае является
нежелательным фактором. Необходимо учитывать отражения от водной поверхности.
В данном разделе произведем анализ отражений радиолокационного
сигнала от водной поверхности, для чего воспользуемся коэффициентом отражения
γ0, значения, которые приведены в таблице 2.1 [9]. Для водной поверхности коэффициент отражения равен γ0=
-40 дБ. Зная это можно определить удельную эффективную площадь рассеяния воды:
где φн
– угол обзора поверхности (в данном случае воды).
Максимальный уровень помех в результате отражения радиолокационного
сигнала от поверхности воды возникает при наибольшей эффективной площади
рассеяния, то есть в случае наибольшей “освещаемой”
поверхности или при наихудшей разрешающей способности.
Рисунок
3.3 – Элемент обзора РЛС
Найдем максимальную площадь водной
поверхности, которая одновременно попадает под обзор радиолокационной станции,
это происходит при обзоре наиболее удаленной части шлюзовой камеры. Площадь
образуется в результате пересечения диаграмм направленности приемной и
передающей антенны на противоположном краю шлюза (см. рис. 3.3).
Из рисунка видно, что площадь:
где из геометрических формул:
тогда:
где:
учитывая вышеизложенное:
И так, эффективная площадь рассеяния участка воды, площадь
которого dS, составляет (угол обзора φн лежит в пределах
10…90˚, выбираем максимальное значение):
Как видно, эффективная площадь
рассеяния воды гораздо меньше эффективной площади рассеяния целей, которые
необходимо обнаруживать. Следовательно, мощность, отраженного от водной
поверхности, радиолокационного сигнала будет много меньше полезного сигнала.
Проведя подобные же расчеты для стен
шлюзовой камеры, коэффициент отражения γ0 для которых (для
бетона γ0= -32 дБ) тоже очень мал, можно убедится, что
эффективная площадь рассеяния целей гораздо больше ЭПР стен шлюза и отражения
от них не повлияют работу радиолокационной станции.
Найдем из (2.1.3) мощности шумового сигнала на входе приемника:
Мощность полезного сигнала на входе приемника:
Зная значения мощностей шума и полезного сигнала на входе
приемника можно найти их отношение и сравнить с требуемым.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
|
© 2009 Все права защищены.
Наверх