51.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА 401

А.А СОСНОВСКИЙ

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ И РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ

ИЗМЕРИТЕЛИ ДАЛЬНОСТИ

Учебное пособие к курсовому проектированию

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 2

1.ФАЗОВЫЙ СЛЕДЯЩИЙ РАДИОДАЛЬНОМЕР 2

1.1 Выбор структурной схемы 3

1.2 Расчет длины волны и параметров ФАР 6

1.3 Расчет параметров сигнала 6

1.4 Выбор параметров устройств обработки сигналов 7

1.5 Расчет погрешностей 8

1.6 Расчет энергетических параметров 11

1.7 Расчет вспомогательных параметров 13

2. ЧАСТОТНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ РАДИОВЫСОТОМЕР 14

2.1 Обработка преобразованного сигнала 16

2.2 Расчет длины волны и параметров антенн 23

2.3 Расчет параметров сигналов 23

2.4. Выбор параметров устройств обработки сигналов 24

2.5 Расчет погрешностей 25

2.6 Расчет энергетических параметров 28

2.7 Расчет вспомогательных параметров 29

3. ИМПУЛЬСНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ РАДИОДАЛЬНОМЕР 30

3.1. Выбор структурных схем 31

3.2. Расчет длины волны и параметров ФАР 38

3.3. Расчет параметров сигналов 39

3.4. Выбор параметров устройств обработки сигналов 39

3.5. Расчет погрешностей 40

3.6. Расчет энергетических параметров 43

3.7. Расчет вспомогательных параметров 44

4. РАДИОДЛЬНОМЕР С ФАЗОКОДОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ 45

4.1. Сигналы и их обработка в аппаратуре потребителя 45

4.2. Расчет длины волны и параметров антенны опорной станции 52

4.3. Расчет параметров сигнала 52

4.4. Выбор параметров устройств обработки сигналов 53

4.5. Расчет погрешностей 53

4.6. Расчет энергетических параметров 54

4.7. Расчет вспомогательных параметров 55

ПРИЛОЖЕНИЕ П I. ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ 57

ПРИЛОЖЕНИЕ П 2. ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 59

КП - 31 59

ПРЕДИСЛОВИЕ

В пособии излагается методика расчета параметров измерительных радиотехнических устройств (РТУ), предназначенных для определения дальности летательных аппаратов (ЛА) и других объектов.

В четырех главах пособия даны основные сведения, необходимые при проектировании измерителей дальности – радиодальномеров (РД), используемых как в составе радиолокаторов, так и в качестве автономного средства. Расположение материала пособия соответствует рекомендуемому порядку расчета определенного РТУ. Пример представления результатов проектирования в виде разработанных на основе расчетов и исходных данных технических требований к элементам РТУ приведен в Приложении П 1. В Приложении П 2 даны типовые задания на проектирование.

Пособие базируется на основной литературный источник [1], рекомендуемый при изучении дисциплин «Основы теории радиолокационных и радионавигационных систем» и «Радиолокационные и радионавигационные системы», сохранена, в основном, и система обозначений, принятая в [1], только в целях упрощения опущен индекс «R» при обозначении величин, относящихся к измерителям дальности. С этой же целью обозначение σ сохранено для флуктуационных и суммарных погрешностей, причем индекс «фл» также опускается, а методические флуктуационные погрешности обозначаются как σ. Кроме того, для обозначения ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) по половинной мощности вместо φ_0,5 используется φ.

Рекомендуемые в пособии расчетные соотношения даются без выводов. При необходимости читатель может воспользоваться ссылками на источники, в которых имеются соответствующие выкладки.

1.ФАЗОВЫЙ СЛЕДЯЩИЙ РАДИОДАЛЬНОМЕР

Рассматриваемый фазовый радиодальномер (ФРД) представляет собой составную часть системы сближения объектов, один из которых является запросчиком, а второй – ответчиком. Предполагается, что ФРД работает совместно с бортовым радиолокатором, который обнаруживает имеющий ответчик объект, осуществляет наведение объекта, на котором установлен запросчик, по угловым координатам второго объекта и грубо определяет дальность до последнего. В дальнейшем объект, на котором имеется запросчик, называется просто запросчиком. А объект с ответчиком – ответчиком. Параметрам запросчика и ответчика присваиваются соответственно индексы «з» и «от».

При проектировании данного ФРД следует учитывать следующие его особенности:

1. Получаемая с помощью радиолокатора грубая оценка дальности используется в ФРД в качестве предварительного целеуказания и исключает необходимость поиска сигнала по дальности.

2. Измерение дальности в ФРД производится на модулирующей (масштабной) частоте F_м, которая в целях повышения точности по мере сближения объектов увеличивается. При этом на любой дальности R должно выполняться условие однозначности дальнометрии:

λ_м= 2R, (1.1)

где λ_м= с/F_м - длина волны модулирующего сигнала.

1. Непрерывный характер излучаемого запросного и ответного сигналов требует преобразования частоты в ответчике, где несущая частота сигнала запросчика умножается на коэффициент преобразования, равный

К_п.ч= n/(n-1), (1.2)

где n целое число. Чем больше n, тем ближе частота ответного сигнала К_п.чf₀ к несущей частоте f₀ сигнала запросного и тем труднее отфильтровать просачивающийся в приемный тракт сигнал передатчика от принимаемого сигнала. С другой стороны, близость частот К_п.чf₀ и f₀ позволяет использовать одну антенну для приема и передачи сигналов.

1. Возникающая при сближении объектов ситуация требует применения на ответчике ненаправленной антенны.

Типовое задание на проектирование следящего ФРД (КП-31) приведено в Приложении П 2.

1.1 Выбор структурной схемы

Упрощенная структурная схема возможного варианта ФРД (вместе с ответчиком), учитывающая указанные выше особенности этого РТУ, показана на рис. 1.1

РИС. 1.1

Сигнал от радиолокатора (РЛ), несущий информацию о грубой дальности R_гр, поступает через экстраполятор Э следящей за фазой системы на управляемый генератор масштабной частоты УГМЧ и изменяет частоту F_м вырабатываемых им колебаний в соответствии с соотношением (1.1). Эти колебания подаются на модулятор М, где осуществляется амплитудная модуляция сигнала несущей частоты f₀. Источником сигнала несущей частоты, а также гетеродинных сигналов для приемного тракта, является синтезатор частоты СЧ. Модулятор М связан с антенной запросчика, функцию которой выполняет фазированная антенная решетка ФАР, через циркулятор Ц (направленный разделитель). Циркулятор обеспечивает коэффициент развязки между передающим и приемным каналами до 35 дБ при потерях энергии сигнала не более 0,5 дБ в полосе частот, равной ± 0,005 от частоты настройки циркулятора. Эти параметры циркулятора, а также полосу пропускания ФАР, которая обычно не превышает 10 % от центральной частоты, необходимо учитывать при выборе коэффициента преобразования частоты.

Сигнал запроса в простейшем случае с приемной антенны ответчика А-1 поступает на усилитель радиочастоты УРЧ, а с последнего – на преобразователь частоты Пр.Ч. Ответный сигнал с частотой К_п.чf₀ после усиления по мощности в УМ излучается антенной А-2.

На запросчике принятый ФАР сигнал после циркулятора Ц подается на приемно-усилительный тракт ПУТ, где осуществляется фильтрация и усиление ответного сигнала, а также его детектирование. Полученный в ПУТ сигнал с частотой F_м направляется на фазовый детектор ФД, который является чувствительным элементом следящей за фазой сигнала системы. Сигнал ошибки с ФД в экстраполяторе Э суммируется ( с учетом знака этого сигнала) с имеющимся в Э напряжением (соответствующим грубой оценке дальности по данным РЛ или полученным в предыдущих циклах работы ФРД) и изменяет частоту F_м сигнала УГМЧ. Описанный процесс повторяется в последующих циклах работы ФРД до тех пор, пока сигнал ошибки не станет равным нулю. Информация о дальности снимается с измерителя периода ИП, на который подается тот же сигнал, что и на ФД.

Напряжение на выходе ФД (сигнал ошибки) имеет вид ([1], с.154)

U_ф.д=К_ф.дU_m1 U_m2 cosφ_Δ,

где К_ф.д – коэффициент передачи ФД; U_m1, U_m2 – амплитуды подаваемых на ФД сигналов, а φ_Δ – разность фаз этих сигналов.

С целью получения дискриминационной характеристики следящей за фазой системы с нулем при φ_Δ= 0 один из указанных сигналов сдвигают по фазе на π/2. Тогда

U_ф.д=К_ф.дU_m1 U_m2 sinφ_Δ. (1.3)

В рассматриваемом ФРД с переменной F_м этот фазовый сдвиг целесообразно вводить в УГМЧ, который при этом формирует два сигнала, один из которых с начальной фазой φ₀₁ подается на модулятор, а второй с фазой φ₀₁+ π/2 – на фазовый детектор. Естественно, что оба сигнала должны иметь одну и ту же частоту F_м. Такая целесообразность следует из того, что при сдвиге по фазе сигнала, получаемого с ПУТ, потребуется фазовращатель, параметры которого должны меняться синхронно с перестройкой F_м, что приведет к усложнению устройства, создающего требуемый сдвиг сигнала по фазе.

На рис 1.2 показана возможная структурная схема ПУТ.

Рис. 1.2

В смесителе См-1 пришедший с циркулятора Ц сигнал, имеющий (без учета доплеровского сдвига частоты) частоту К_п.чf₀, преобразуется на первую промежуточную частоту f_п.ч1, на которую настроен усилитель УПЧ-1. Для этого на См-1 с синтезатора частот СЧ подается сигнал гетеродина с частотой f_г1= К_п.чf₀+ f_п.ч1. Основная функция УПЧ-1 заключается в подавлении просачивающегося с передающего тракта зондирующего сигнала. Вместе с циркулятором УПЧ-1 должен обеспечивать требуемый коэффициент развязки передающего и приемного трактов. Второй усилитель (УПЧ-2) выполняет обычные для супергетеродинных приемников функции усиления и фильтрации сигналов. Частота гетеродина f_г2= f_п.ч1+ f_п.ч2.

Сигнал с частотой F_м после детектора Д усиливается в полосовом усилителе ПУ и поступает на фазовый детектор. Полосовой усилитель должен пропускать сигналы, частоты которых лежат в диапазоне от F_{м min} до F_{м max}, где предельные значения частоты F_м соответствуют максимальной и минимальной измеряемой дальности.

Упомянутый выше измеритель периода ИП, с которого снимается информация о измеряемой дальности R, может быть основан на определении числа счетных импульсов за интервал времени Т_си=0,5Т_м=0,5/F_м. Упрощенная структурная схема ИП показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3

Сигнал масштабной частоты F_м с УГМЧ поступает на формирователь импульсов ФИ. Последний вырабатывает импульсы запуска триггера Тр каждый раз, когда гармонический сигнал с УГМЧ проходит через нулевое значение. Импульс, соответствующий положительной производной сигнала, переводит Тр в рабочее состояние. При этом триггер открывает электронный ключ ЭК и импульсы, имеющие период Т_с.и, начинают поступать с генератора счетных импульсов ГСчИ на счетчик Сч. Перевод Тр в исходное состояние и прекращение счета импульсов происходят при поступлении с ФИ импульса, соответствующего отрицательной производной сигнала с УГМЧ при пересечении последним нулевого уровня. Затем производится перепись содержимого Сч в оперативное запоминающее устройство ОЗУ (схема управления переписью на рис. 1.3 с целью упрощения не показана). Информация снимается с ОЗУ в требуемом коде. Из сказанного, а также из (1.1) следует, что число импульсов N в Сч будет

. (1.4,а)

Откуда

R=cT_с.и N. (1.4,б)

1.2 Расчет длины волны и параметров ФАР

Примем, что запросчик ФРД использует квадратную ФАР. Если известен размер апертуры и ширина φ_з диаграммы направленности ФАР, то длина волны λ излучаемого запросчиком сигнала может быть найдена из соотношения ([12], т.2, с.61)