4 -2 (Электронные лекции для РЛ)

Простейшая радиолокационная станция и ее
характеристики

1. Общее описание РЛС. Обобщённая функциональная схема РЛС. Диаграммы работы

1.1. Общее описание работы РЛС

Обобщённая функциональная схема РЛС (рис.1.1) должна включать в свой состав: передающую и приёмную части, антенный переключатель, антенну и индикатор.

Задача передающей части заключается в формировании зондирующего сигнала с заданными параметрами в требуемый момент времени. Для импульсной РЛС, излучающей зондирующий сигнал в виде последовательности простых или сложных радиоимпульсов, такими параметрами являются:  τи - длительность импульса; f0 - частота высокочастотного колебания; и - период следования (повторения) импульсов; Ри – импульсная мощность или связанные с ней средняя мощность (Р0) и энергия (Ес) зондирующего сигнала; закон внутриимпульсной модуляции; форма огибающей импульса.

Рисунок 1.1. Упрощённая функциональная схема импульсной РЛС

Для выполнения этой задачи передающая часть импульсной РЛС (рис.1.1) должна включать в свой состав: синхронизатор (1); импульсный модулятор (2); генератор СВЧ колебаний (3); усилитель мощности (4).

Синхронизатор задаёт период повторения импульсов и. С началом действия этого короткого (рис.1.1, 1), порядка единиц микросекунд видеоимпульса осуществляется одновременный запуск передатчика и индикатора.

Количественное значение периода повторения импульсов определяется требованием однозначного определения расстояния до цели. Вследствие того, что приём и передача ведутся неодновременно, передатчик не должен включиться, пока на вход антенны может поступить сигнал от максимально удалённой от РЛС цели, которую она должна обнаруживать. Таким образом, период повторения импульсов должен быть больше максимального времени запаздывания , которое соответствует максимальной дальности действия РЛС R макс: и > tз макс.

Кроме того, синхронизатор формирует целый ряд служебных сигналов, управляющих работой блоков РЛС.

Импульсный модулятор задаёт длительность импульсов (τи). Модулятор формирует на своём выходе (рис.1.1, 2) мощные прямоугольные видеоимпульсы, управляющие работой генератора СВЧ колебаний. Количественное значение длительности импульса определяется назначением РЛС , требованием к энергии зондирующего сигнала и разрешающей способностью РЛС по дальности.

Генератор СВЧ колебаний (рис.1.1, 3) задаёт частоту высокочастотного колебания (f0) или, что одно и то же, длину волны излучаемого сигнала . Количество генерируемых периодов высокочастотного колебания определяется длительностью импульса. Количественное значение частоты высокочастотного колебания определяется назначением РЛС (Таблица 1.1).

Усилитель мощности задаёт импульсную мощность зондирующего сигнала. При построении передатчика по схеме рис.1.1, сигнал формируется на низком уровне мощности и затем усиливается. Наземные РЛС, предназначенные для обнаружения самолётов, обычно имеют средние мощности излучения Рср от нескольких киловатт до единиц мегаватт: . Ограничением наращивания импульсной мощности служит угроза разрушения линии передачи и других элементов высокочастотного тракта под действием высоких температур, обусловленных воздействием электромагнитного поля, то есть электрическая прочность антенно-фидерного тракта.

Антенный переключатель (рис.1.1, 5) – быстродействующее переключающее устройство, которое защищает приёмник в момент излучения мощного сигнала. При работе РЛС в режиме приёма антенный переключатель направляет слабый эхо- сигнал в приёмник.

Рисунок 1.2. Диаграммы работы устройств обобщённой функциональной схемы импульсной РЛС

В качестве антенных переключателей используются газоразрядные или твёрдотельные приборы. Таким образом, антенный переключатель должен обеспечить высокую развязку между приёмником и передатчиком и, вместе с тем, не должен вносить затухание между антенной и приёмником. Технической характеристикой, влияющей на минимальную дальность действия РЛС, является так называемое время восстановления (t восст) антенного переключателя. Время восстановления - это время переключения РЛС из режима передачи зондирующих сигналов в режим приёма эхо-сигналов.

Приёмник должен обеспечить выделение полезного эхо-сигнала, с последующим его усилением и преобразованием к виду, необходимому для работы оконечного устройства, на фоне шума, всегда присутствующего в приёмнике, и любых помех на его входе (рис.1.1, 4).

Входной каскад приёмника обычно разрабатывается так, чтобы он вносил как можно меньше шума. Таким каскадом может служить, например, параметрический усилитель или усилитель на ЛБВ. Однако, при высоком уровне внешних шумов применение малошумящих первых каскадов приёмника не всегда оправдано. В простых РЛС в качестве входного каскада может использоваться смеситель (рис.1.1, 6), при этом усиления на высокой частоте не производится. Промежуточная частота приёмника fпр выбирается путём подбора частоты гетеродина (рис.1.1, 7, fгет) из соображений удобства построения согласованного фильтра, минимизации вклада каскадов УПЧ в суммарный уровень шума и подавления зеркального канала.

Согласованный фильтр – часть приёмника (рис.1.1, 8), предназначенная для максимизации выходного отношения сигнал/помеха (рис.1.1, 5). Именно в этом устройстве оценивается “похожесть” зондирующего и принятого эхо-сигнала. Согласованный фильтр (СФ) «согласован» с зондирующим сигналом. Это означает, что его импульсная характеристика является масштабной зеркальной копией зондирующего сигнала, сдвинутой на время t  τи (рис.1.2). Здесь вычисляется значение корреляционной функции Z(τ).

Рисунок 1.3. Геометрическая интерпретация нахождения импульсной характеристики СФ, согласованного с зондирующим сигналом: 1- видеосигнал треугольной формы; 2 – ФКМ сигнал

При использовании сложных сигналов согласованные фильтры осуществляют операцию сжатия отраженных от целей сигналов, обеспечивая тем самым необходимую разрешающую способность РЛС по дальности.

Огибающая корреляционной функции подаётся на пороговое устройство (рис. 1.1, 9). Если её значение превышает порог Zo (цель 1), то на выходе порогового устройства формируется видеоимпульс (рис.1.2, 6). Этот видеоимпульс высветит отметку цели (цель 1) на экране ИКО. Цель 2 (рис.1.2 ,5,6) не даст отметку на экране ИКО, и следовательно, не будет обнаружена оператором РЛС.

Количественной оценкой работы приёмника РЛС является безразмерное значение параметра обнаружения равного отношению сигнал/помеха на выходе его линейной части. Под отношением сигнал/помеха (q) понимается отношение энергии эхо-сигнала Ес к спектральной плотности мощности No помех : .

Техническим параметром, характеризующим способность приёмника выделять на фоне помех и собственных шумов предельно слабые эхо-сигналы, является чувствительность. В зависимости от того, какое значение сигнал/помеха надо обеспечить на выходе линейной части приёмника, различают предельную Рпр мин и реальную Рр чувствительность. Предельная чувствительность численно равна мощности входного сигнала, при которой на выходе линейной части приёмника отношение сигнал/ помеха равно единице: q = 1. Для современных РЛС предельная чувствительность составляет: Рпр мин= (10-14 - 10-22) Вт.

Реальная чувствительность численно равна мощности входного сигнала, при которой на выходе линейной части приёмника сигнал в заданное число раз превышает мощность собственных шумов. Реальная чувствительность связана с предельной через коэффициент различимости _о: Рр=_о ∙Рпр . Для РЛС дальнего обнаружения значение коэффициента различимости находится в пределах: _о=24. Для РЛС точного определения координат: _о=10100.

Антенна (рис. 1.1, 10) обеспечивает направленное излучение сформированного передатчиком зондирующего сигнала и приём эхо-сигналов.. Способность концентрировать энергию передатчика в узкий луч оценивается с помощью коэффициента усиления антенны Gа. Способность антенны формировать узконаправленный луч позволяет измерить направление на цель. Эта характеристика оценивается с помощью ширины диаграммы направленности антенны в азимутальной и угломестной плоскостях , . Типичное значение ширины диаграммы направленности антенны составляет примерно 1⁰. В обычных импульсных РЛС кругового обзора используются узкий луч в азимутальной плоскости и широкий в плоскости угла места. Скорость перемещения луча в азимутальной плоскости оценивается количеством оборотов в минуту n, совершаемых антенным лучом. Типичное значение этой технической характеристики антенны составляет 6 оборотов в минуту. Скорость вращения луча и ширина диаграмм направленности определяют время нахождения гипотетической цели в луче диаграммы направленности антенны – время облучения цели tобл: . Тогда максимальное количество импульсов в пачке N, отражённых от цели, может быть найдено из выражения: (рис.1.3).

Индикатор (рис. 1.1, 11) используется оператором РЛС для обнаружения и определения двух её координат: наклонной дальности и азимута. Техническими характеристиками ИКО, влияющими на работу РЛС, являются: диаметр пятна dп электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), линейный размер развёртки Lр, определяемый диаметром ЭЛТ.

1.2. Технические характеристики РЛС

Технические характеристики РЛС – это система показателей, описывающая основные параметры устройств, входящих в состав РЛС. Система включает в свой состав те параметры РЛС, которые оказывают существенное влияние на возможность и качество решения задач радиолокации. К основным техническим характеристикам РЛС относятся:

1.Несущая частота f0 или рабочая длина волны  излучаемых колебаний (см, дм или м диапазон).

2. Вид и параметры зондирующего сигнала:

- длительность импульсаτи;

- период повторения импульсов и или частота следования зондирующих импульсов Fи;

- вид огибающей, закон внутриимпульсной модуляции.

3. Мощность излучения: Рср - средняя мощность излучения; Ри - импульсная мощность.

5. Чувствительность приёмника Рпр мин.

6. Параметры антенной системы:

- коэффициент усиления антенны Gа;

- форма и ширина диаграммы направленности антенны в азимутальной и угломестной плоскостях ,  ;

-число оборотов в минуту, совершаемых антенным лучом n.

1.3. Тактические характеристики РЛС

Систему показателей, используемых для оценки боевых возможностей РЛС и проведения тактических расчетов, принято называть тактическими характеристиками РЛС. Основными из них являются:

• состав выдаваемой информации;

• зона обзора (форма зоны и её параметры);

• точность выдаваемой информации;

• разрешающие способности по измеряемым координатам;

• помехозащищённость;

• информационная способность;

• надёжность;

• электромагнитная совместимость;

• маневренные характеристики (время развёртывания и свёртывания, время включения и выключения, мобильность ).

Состав выдаваемой информации определяется, главным образом, требованиями потребителей информации и решаемыми задачами. В общем случае информация, выдаваемая РЛС, должна содержать следующие сведения:

- пространственные координаты целей;

• государственную и индивидуальную принадлежность;

• характеристику цели (одиночная или групповая) и по возможности количественный состав групповой цели;

• виды создаваемых помех и их интенсивность.

Зона обзора. Зоной обзора РЛС называется область пространства, в