Разработка системы для моделирования радиолокационной обстановки, которая бы позволила получать файлы на персональной ЭВМ, содержащие цифровое представление радиолокационной обстановки

Аннотация

Платонов М. В. Система цифрового моделирования радиолокационной обстановки. - Челябинск, ЮУрГУ, ЭВМ, 2003, 105 с., 18 ил., библиография литературы - 25 наименований, 8 листов чертежей ф. А1.

Настоящий дипломный проект посвящен разработке программного комплекса для цифрового моделирования радиолокационной обстановки. Разрабатываемая система не имеет аналогов и является перспективным изделием в рамках моделирования процессов радиолокации и обработки принимаемых радиолокационных сигналов.

После анализа технического задания была выбрана структура программного комплекса, разработан пользовательский интерфейс и программно реализованы математические модели радиолокационных объектов.

В пояснительной записке содержится экономическое обоснование необходимости проведения работ, выполнено сетевое планирование и разработаны мероприятия по безопасности жизнедеятельности при работе пользователя при работе с персональной ЭВМ. В технологической части приведен разработанный программный документ - техническое задание.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Постановка задачи

1.1 Основные понятия

1.2 Цель дипломного проектирования

1.3 Реализуемые функции

2 Разработка математического обеспечения

2.1 Математическая модель радиолокационной обстановки

2.2 Математическая модель РЛС

2.2.1 Математическая модель антенны

2.2.2 Математическая модель передающего устройства

2.2.3 Математическая модель приемного устройства

2.3 Разработка связей между моделями

3 Разработка программного комплекса

3.1 Разработка структуры программного комплекса

3.2 Разработка алгоритмов работы программного комплекса

3.2.1 Общий алгоритм работы программного комплекса

3.2.2 Разработка алгоритма реализации математических моделей

3.3 Программная реализация математических моделей

3.4 Разработка интерфейса пользователя

3.4.1 Выбор среды разработки

3.4.2 Описание интерфейса пользователя

4 Технологический раздел

4.1 Постановка задачи

4.2 Текст документа

4.2.1 Основание для разработки

4.2.2 Назначение разработки

4.2.3 Область применения

4.2.4 Требования к программному изделию

4.2.5 Требования к программной документации

4.2.6 Технико-экономические показатели

4.2.7 Стадии и этапы разработки

5 Вопросы безопасности жизнедеятельности

5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

5.1.1 Опасные производственные факторы

5.1.2 Вредные производственные факторы

5.2 Мероприятия по безопасности при работе с дисплейной техникой

5.2.1 Электробезопасность

5.2.2 Пожаробезопасность

5.2.3 Микроклиматические параметры

5.2.4 Освещение

5.2.5 Электромагнитное излучение

5.2.6 Шум

5.2.7 Эргономика, производственная эстетика и культура производства

6 Организационно-экономический раздел

6.1 Сетевое планирование

6.1.1 Составление перечня работ и построение сетевого графика

6.1.2 Расчет параметров сетевого графика

6.2 Смета затрат на проведение работ

6.2.1 Расходные материалы

6.2.2 Командировочные расходы

6.2.3 Контрагентские расходы

6.2.4 Расходы на покупные изделия и специальное оборудование

6.2.5 Заработная плата сотрудников

6.2.6 Отчисления на социальные нужды

6.2.7 Накладные расходы

6.2.8 Смета затрат на выполнение всех работ

6.3 Анализ технико-экономической эффективности

Заключение

Список сокращений

Литература

Приложения

1 Структура пакета данных на 2 листах ф. А4

2 Заголовочный файл для реализации математических моделей на 4 листах ф. А4

3 Графическая часть на 8 листах ф. А1

Введение

Постоянно растущая интенсивность полетов и увеличение числа гражданских рейсов воздушного транспорта требуют более широкого внедрения радиоэлектронных средств для обеспечения управления воздушным движением, навигации и посадки. Безопасность и регулярность полетов самолетов в значительной степени зависит от состава оборудования, рациональной компоновки и его безотказной работы. Для контроля местоположения самолета на трассе применяются наземные радиолокационные станции (РЛС).

При проектировании и разработке РЛС в целом или отдельных модулей встает задача выбора параметров и режимов работы, проверка работоспособности и отладка разрабатываемого изделия.

В реальных условиях для проверки работоспособности всей РЛС или отдельного модуля необходимо осуществить выезд на испытательный полигон, предварительно договорившись с руководством специализированной летной организации на проведение тренировочных полетов в заданном районе по заданным траекториям.

Очевидно, что при таком подходе стоимость разработки заметно увеличивается. Увеличиваются также сроки разработки, поскольку изготовление и доработка тестируемых блоков и модулей требует дополнительного времени и людских ресурсов. В случае обнаружения неустранимых ошибок в конструкции изделия из-за неправильного выбора параметров или режимов работы зачастую требуется повторное изготовление всего блока или модуля.

Темой данной дипломной работы является разработка системы для моделирования радиолокационной обстановки, которая бы позволила получать файлы на персональной ЭВМ, содержащие цифровое представление радиолокационной обстановки. Данные файлы могут быть использованы для проверки корректности работы реальных устройств обработки принимаемых радиолокационных сигналов, реализуемых на программируемых логических интегральных схемах и цифровых сигнальных процессорах.

Создание подобной системы позволит проводить испытание, проверку и настройку опытных образцов схем и устройств непосредственно на месте разработки, без выезда на испытательный полигон, что позволит снизить затраты на разработку.

Поскольку станет возможным создание практически любой радиолокационной обстановки, то можно будет промоделировать самую критическую в плане обнаружения цели обстановку и проверить работу оборудования в этом режиме.

Данную систему можно также применять как макет для обучения студентов радиотехнических специальностей вузов основам радиолокации и последующей обработки информации.

Подобная система не имеет аналогов и является новым перспективным изделием в рамках моделирования процессов радиолокации и обработки принимаемых радиолокационных сигналов.

1 Постановка задачи

1.1 Основные понятия

Прежде чем описывать работу и назначение программного комплекса введем основные понятия и определения, необходимые для знакомства с данной предметной областью и понимания основных идей, заложенных при разработке программного комплекса.

Радиолокация - это область радиотехники, обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, т.е. их обнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторых структурных или физических свойств путем использования отраженных или переизлученных объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения.

Радиотехнические устройства радиолокационного наблюдения называются радиолокационными станциями (РЛС). Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются радиолокационными целями.

Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. В зависимости от способов его получения различают следующие виды радиолокационного наблюдения.

1. Радиолокация с пассивным ответом, основанная на том, что излучаемые РЛС колебания - зондирующий сигнал - отражаются от цели и попадают в приемник РЛС в виде отраженного сигнала или эхо-сигнала. Важным требованием к целям в этом случае является отличие от отражающих свойств окружающей среды.

2. Радиолокация с активным ответом, характеризуется тем, что ответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специального ответчика - ретранслятора. При этом заметно повышается дальность и контрастность радиолокационного наблюдения, что позволяет использовать данный вид радиолокации для наблюдения радиолокационных целей на больших расстояниях, а также искусственных спутников Земли.

3. Пассивная радиолокация основана на приеме собственного радиоизлучения целей, преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов.

Основными составными частями РЛС являются приемник, передатчик, антенное устройство и оконечное устройство.

Рисунок 1.1 - Структурная схема простейшей импульсной РЛС

У большинства РЛС приемная и передающая антенны расположены в непосредственной близости друг от друга, а РЛС с импульсной модуляцией (наиболее широко используемые в настоящее время) обычно имеет одну антенну, снабженную специальным антенным переключателем для перехода из режима передачи в режим приема и обратно (рисунок 1.1). В импульсных РЛС антенный переключатель содержит разрядники защиты приемника и блокировки передатчика, которые коммутируют антенну либо с передатчиком, либо с приемником.

Передатчик РЛС вырабатывает высокочастотные колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте или фазе иногда весьма сложным образом. Эти колебания передаются в антенное устройство и образуют зондирующий сигнал.

Излучаемые колебания нельзя считать радиолокационным сигналом, т.к. они никакой информации о цели не несут. После того как электромагнитная волна, падающая на цель (первичная волна), вызывает в ее теле вынужденные колебания электрических зарядов, цель подобно обычной антенне создает электромагнитное поле. Это поле в дальней зоне представляет собой вторичную, т.е. отраженную электромагнитную волну, создающую в РЛС радиолокационный сигнал, который является носителем информации о цели.

Приемник РЛС необходим для оптимального выделения полезного сигнала из помех (первичная обработка сигнала). Оконечное (выходное) устройство служит для представления радиолокационной информации в нужной потребителю форме.

Радиолокационная обстановка есть совокупность отраженных от радиолокационных объектов сигналов, излучаемых РЛС. На распространение сигналов в пространстве также оказывают влияние условия окружающей среды /1/.

Все возможные радиолокационные объекты (цели) можно разделить на сосредоточенные и распределенные в пространстве. К сосредоточенным относятся объекты, размеры которых заметно меньше элементов разрешающего объема РЛС. Разрешающий объем - это часть пространства, облучаемого РЛС, в пределах которого цели не наблюдаются раздельно. Сосредоточенные цели, в свою очередь, можно разделить на одиночные и групповые, состоящие из ряда независимых одиночных целей. Одиночные сосредоточенные цели называются точечными целями. Они практически не изменяют форму отраженного сигнала. К распределенным целям относятся земная и водная поверхность (поверхностные цели), облака, дождь, снег, туман (объемные цели).

1.2 Цель дипломного проектирования

При проектировании и разработке РЛС в целом или отдельных модулей встает задача выбора параметров и режимов работы, проверка работоспособности и отладка разрабатываемого изделия.

В реальных условиях для проверки работоспособности всей РЛС или отдельного модуля необходимо осуществить выезд на испытательный полигон, предварительно договорившись с руководством специализированной летной организации на проведение тренировочных полетов в заданном районе по заданным траекториям. В ходе испытаний принимаемые РЛС сигналы фиксируются при помощи специального устройства для записи или цифрового магнитофона, подключенного к приемному тракту, как показано на рисунке 1.2.

Входной аналоговый сигнал, содержащий сведения о радиолокационной обстановке, обрабатывается в приемном тракте РЛС, оцифровывается и записывается в цифровом виде в выходной файл. Выходной файл содержит как данные о радиолокационной обстановке, так и данные о параметрах конкретной РЛС. Анализ данного файла может дать некоторые сведения о работе РЛС.

Рисунок 1.2 - Схема включения записывающего устройство в приемный тракт РЛС

Очевидно, что при таком подходе стоимость разработки заметно увеличивается. Увеличиваются также сроки разработки, поскольку изготовление и доработка тестируемых блоков и модулей требует дополнительного времени и людских ресурсов. В случае обнаружения неустранимых ошибок в конструкции изделия из-за неправильного выбора параметров или режимов работы зачастую требуется повторное изготовление всего блока или модуля.

Для снижения всех вышеперечисленных затрат ранее записанные файлы с данными о радиолокационной обстановке можно подавать на вход реальных устройств обработки (рисунок 1.3), и тем самым можно промоделировать работу всей РЛС без выезда на испытательный полигон.

Информация, записанная в файле, вновь преобразуется в аналоговый вид и подается на устройство обработки информации, реализованные в РЛС. На оконечном устройстве РЛС (мониторе, пульте диспетчера) отображается уже обработанная информация, а поскольку входной сигнал известен, то можно судить о качестве обработки.

Может применяться также еще один цифровой магнитофон, позволяющий записывать уже обработанную информацию с входа оконечного устройства, что позволит получить более полную информацию о качестве обработки входного сигнала.

Рисунок 1.3 - Схема для проверки аналогово-цифровых устройств обработки информации

Другим вариантом проверки оборудования РЛС может служить схема представленная на рисунке 1.4 и использоваться для проверки цифровых устройств обработки информации, когда не требуется перевод информации в аналоговый вид.

Подход к анализу информации остается тем же.

Рисунок 1.4 - Схема для проверки цифровых устройств обработки информации

Подобный подход позволяет проверить работу разрабатываемого изделия на его модели, т.е. уже на этапе проектирования можно проверить некоторые технические решения, выбрать режимы работы и параметры разрабатываемого изделия.

Если моделировать файлы с данными о радиолокационной обстановке на персональном компьютере, то можно промоделировать работу всей РЛС и проверить работу в самой критической с точки зрения обнаружения сигнала обстановке. Использование ПЭВМ для разработки повышает культуру производства, снижает сроки на разработку и материальные затраты.

Таким образом, цель дипломного проектирования - разработка программного комплекса для моделирования радиолокационной обстановки на персональном компьютере, позволяющего моделировать радиолокационную обстановку по заданным параметрам, создавать выходной файл, содержащий рассчитанную модель, использовать полученный файл для проверки реальных устройств обработки информации.

1.3 Реализуемые функции

После анализа технического задания были выделены следующие функции, которые должны выполняться разрабатываемым программным комплексом:

1. Функция организации интерфейса с пользователем. Программный комплекс в рамках организации интерфейса с пользователем должен реализовывать следующие функции:

- функция модификации данных - необходимо организовать ввод пользователем параметров, характеризующих конкретную РЛС и радиолокационную обстановку. Необходимо проверять вводимые данные на непротиворечивость и корректность. При разработке следует учесть, что с программным комплексом, возможно, будут работать пользователи, уровень подготовки которых для работы на персональной ЭВМ является невысоким;

- функция загрузки и сохранения данных - необходимо обеспечить возможность сохранения введенных пользователем данных и их последующую загрузку из типизированных файлов;

- функция формирования выходного файла - по результатам моделирования необходимо сформировать выходной файл, который может использоваться для проверки реальных устройств обработки сигналов.

2. Функция организации обмена данными с цифровыми устройствами обработки сигналов - необходимо организовать загрузку данных из файлов с радиолокационной обстановкой в реальные устройства обработки сигналов. Программный комплекс в рамках организации обмена данными с цифровыми устройствами обработки сигналов должен реализовывать следующие функции:

- функция определения доступных аппаратных ресурсов - при инициализации программного комплекса необходимо произвести определение доступных аппаратных ресурсов, поиск драйверов для данных устройств и их инициализацию;

- функция обмена данными с доступными аппаратными ресурсами - непосредственно организация обмена данными со специализированным устройством под управлением ранее выбранного драйвера.

3. Организация обмена данными с внешними приложениями - необходимо организовать обмен данными с другими приложениями в виде графической информации и информации, которая может быть использована для организации процесса моделирования, самими результатами моделирования.

4. Моделирование радиолокационной обстановки - по введенным пользователем данным, необходимо произвести расчет сигналов, образующих радиолокационную обстановку.

2 Разработка математического обеспечения

В настоящее время моделирование различных процессов и явлений широко используется для разнообразнейших исследований и разработок в различных областях науки и техники. Применение современной вычислительной техники позволяет получать достаточно точные модели, максимально точно описывающие моделируемое явление или процесс. Наиболее широко используется математическое и имитационное моделирование.

В основе математического моделирования лежат математические модели - каждый процесс или явление описывается при помощи математических уравнений, что требует серьезного математического аппарата. Реализация математических моделей на ПЭВМ возможна при использовании численных методов для реализации различных математических функций и операторов, что вносит погрешность в расчеты.

Имитационное моделирование подразумевает получение и использование модели, описывающее механику процесса или явления, т.е. то, как протекает процесс в реальной обстановке и что лежит в основе этого процесса. Имитационное моделирование, в основном, опирается на физические законы, для реализации которых также необходим аппарат математических функций.

Наиболее приемлемым способом для описания моделируемой предметной области в данном дипломном проекте может служить имитационное моделирование, основанное на математических моделях некоторых атомарных объектов. В качестве такого объекта, как будет показано ниже, можно взять точечную цель, а всю модель РЛС разделить на модели основных ее модулей. В этом случае будет достигнут компромисс между точностью модели и суммарными вычислительными затратами на реализацию модели.

2.1 Математическая модель радиолокационной обстановки

Радиолокационная обстановка характеризуется расположением и характером радиолокационных объектов (целей) в зоне действия РЛС, а также условиями окружающей среды, оказывающими влияние на распространение радиолокационных сигналов.

При распространении радиоволн следует учитывать явление дисперсии волн, т.е. зависимость фазовой скорости от частоты сигнала. Явление дисперсии наблюдается вследствие того, что коэффициент преломления атмосферы отличается от единицы, т.е. скорость электромагнитных волн в этом случае несколько меньше скорости света.

Другим существенным эффектом распространения радиоволн в реальной среде является искривление направления распространения или рефракция волн. Это явление может возникнуть в неоднородной среде, т.е. среде с изменяющимся от точки к точке коэффициентом преломления /4/.

Поскольку все эти эффекты слабо изменяют характеристики радиолокационного сигнала, то ими можно пренебречь.

Любая радиолокационная цель или объект характеризуется своим местоположением в пространстве, параметрами движения, эффективной отражающей поверхностью (ЭПР), а также функцией распределения ЭПР по поверхности объекта (для распределенных объектов).

Местоположение объекта (цели) характеризуется положением центра масс этого объекта (цели) в некоторой опорной системе координат /2/. В радиолокации наиболее часто применяют местную сферическую систему координат, начало которой находится в точке размещения антенны РЛС.

В наземной РЛС одна из осей координатной системы обычно совпадает с северным направлением меридиана, проходящего через позицию антенны РЛС, и местоположением цели Ц находится по результатам измерения наклонной дальности D, азимута б и угла места в (рисунок 2.1). При этом система неподвижна относительно земной поверхности.



Рисунок 2.1 - Местные сферические координаты

Измерение дальности до цели радиотехническими методами основано на постоянстве скорости и прямолинейности распространения радиоволн, которые выдерживаются в реальных условиях с достаточно большой точностью. Измерение дальности сводится к фиксации моментов излучения зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала и измерению временного интервала между этими двумя моментами. Время запаздывания отраженного импульса:

(1)

где D - расстояние между РЛС и целью (рисунок 2.1), м;

c - скорость распространения радиоволн, м/с.

Для определения радиальной скорости движущегося объекта используют эффект Доплера /3/, который заключается в изменении частоты наблюдаемых колебаний, если источник и наблюдатель движутся друг относительно друга. Поэтому задача определения радиальной скорости сводится к определению частоты отраженных колебаний по сравнению с излучаемыми. Простейший и наиболее удобный для радиолокации вывод количественных соотношений при эффекте Доплера основан на рассмотрении процесса «передача - отражение - прием» как единого. Пусть в антенну поступают колебания:

(2)

Отраженный от неподвижной цели и запаздывающий на время t_З сигнал на входе приемника будет иметь вид:

(3)

Здесь имеет место сдвиг фаз:

(4)

а также постоянный сдвиг фаз ц_Ц, возникающий при отражении. При удалении от РЛС с постоянной радиальной скоростью дальность.

(5)

где V_P - радиальная скорость цели (рисунок 2.2), м/с.

Рисунок 2.2 - Радиальная скорость цели относительно РЛС

Подставляя соответствующее значение из (1) в (4), получаем:

(6)

Частота отраженных колебаний, определяемая посредством производной фазы колебаний ц_С по времени, равна:

(7)

Отсюда (8)

т.е. при удалении цели от РЛС частота отраженных колебаний ниже, чем излучаемых.

Величина

(9)

именуется доплеровской частотой.

Мощность отраженного сигнала на входе приемника РЛС зависит от целого ряда факторов /4/ и, прежде всего, от отражающих свойств цели. Первичная (падающая) радиоволна наводит на поверхности цели токи проводимости (для проводников) или токи смещения (для диэлектриков). Эти токи являются источником вторичного излучения в разных направлениях.

Отражающие свойства целей в РЛС принято оценивать эффективной площадью рассеяния (ЭПР) цели S₀:

(10)

где о - коэффициент деполяризации вторичного поля (0 ? о ? 1);

P_ОТР = S·D₀·П₁ - мощность отраженного сигнала, Вт;

П₁ - плотность потока мощности радиолокационного сигнала на сфере радиусом R в окрестности точки, где находится цель, Вт/м²;

D₀ - значение диаграммы обратного рассеяния (ДОР) в направлении на радиолокатор;

S - полная площадь рассеяния цели, м².

ЭПР цели представляет собой выраженный в квадратных метрах коэффициент, учитывающий отражающие свойства цели и зависящий от конфигурации цели, электрических свойств ее материала и отношения размеров цели к длине волны.

Данную величину можно рассматривать как некоторую эквивалентную цели нормальную радиолучу площадку площадью S₀, которая, изотропно рассеивая всю падающую на нее от РЛС мощность волны, создает в точке приема ту же плотность потока мощности, что и реальная цель. Эффективная площадь рассеяния не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью.

Поскольку измерение ЭПР реальных объектов на практике затруднено из-за сложной формы последних, то иногда при расчетах оперируют с величиной отраженной от радиолокационного объекта энергией или отношением отраженной энергии к излучаемой.

Если радиолокационный объект является распределенным, т.е. состоит из множества независимых излучателей, то для нахождения ЭПР применяют одну из двух моделей отражения. В обеих моделях цель представляется в виде совокупности n точечных элементов, среди которых нет преобладающего отражателя (первая модель), либо имеется один преобладающий отражатель (вторая модель), который дает стабильный отраженный сигнал.

В технической радиолокационной литературе /2, 4/ по радиолокации используют обобщенную модель Сверлинга с распределением вида:

(11)

где - среднее значение ЭПР, м².

Это выражение соответствует распределению ² с 2k степенями свободы, где k определяет сложность модели отражения цели. При k = 1 получаем модель с экспоненциальным распределением ЭПР, а при k = 2 - модель цели в виде большого отражателя, меняющего в небольших пределах ориентацию в пространстве, или набора равноправных отражателей плюс наибольший.

Закон распределения амплитуд отраженного сигнала сводится к обобщенному закону Релея /4/:

(12)

где E - амплитуда отраженного сигнала, В;

E₀ - амплитуда отраженного сигнала от доминирующего излучателя, В;

у² - дисперсия ортогональных составляющих амплитуд, В²;

I₀ - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка:

(13)

В случае группового излучателя, состоящего из n точечных излучателей, диаграмма распределения ЭПР по азимутам имеет весьма сложную лепестковую структуру, зависящую от взаимного расположения отражающих элементов и относительно расстояний между ними. Поэтому групповые цели в зависимости от их углового положения относительно линии визирования могут давать значительные колебания мощности отраженных сигналов. Эти колебания происходят относительно среднего уровня, пропорционального среднему значению ЭПР при некогерентном сложении. Одновременно с колебаниями мощности отраженного сигнала наблюдаются случайные изменения времени его запаздывания и угла прихода.

Для движущихся распределенных целей возникает явление интерференции колебаний вторичного излучения от различных точек, в основе которого лежит изменение взаимного расположения точечных отражателей цели. Эффект Доплера является следствием данного эффекта. Для описания явления применяется диаграмма обратного рассеяния (ДОР), которая характеризует зависимость амплитуды отраженного сигнала от направления /2/.

Кроме того, при облучении целей возникает явление деполяризации зондирующего сигнала, т.е. поляризация отраженной и падающей волны не совпадают. Для реальных целей имеет место флуктуирующая поляризация, т.е. все элементы поляризационной матрицы /1/ являются случайными и необходимо воспользоваться матрицей числовых характеристик этих случайных величин.

При статистическом подходе к анализу радиолокационных объектов для описания функций последних применяется корреляционная функция или корреляционная матрица /8/, которые характеризуют изменение параметров объекта во времени. Недостатком данной модели является сложность расчетов из-за необходимости применения статистических методов и сложность организации ввода исходных параметров.

Исходя из вышесказанного, для описания радиолокационного объекта необходимо знать его положение в пространстве, протяженность по дальности и азимуту (для распределенных объектов), ЭПР и модель ее распределения, модель движения объекта или закон изменения доплеровского приращения частоты отраженного сигнала, число точечных излучателей (для групповых излучателей).

2.2 Математическая модель РЛС

Как уже отмечалось в пункте 1.1, основными модулями РЛС являются блок антенны, совместно с антенным переключателем, передатчик и приемное устройство. В качестве оконечного устройства может быть использован большой класс разнообразных устройств, различающихся по способу отображения информации и не влияющих на принимаемые радиолокационные сигналы, поэтому данный класс устройств не рассматривается.

2.2.1 Математическая модель антенны

Одной из основных характеристик антенны является ее диаграмма направленности (ДНА) /5/, которая характеризует зависимость излучаемой мощности от направления (рисунок 2.3).



Рисунок 2.3 - Диаграмма направленности антенны по мощности

Диаграмма направленности антенны в плоскости азимут-дальность при постоянном угле места с равномерным распределением поля по раскрыву выражается функцией:

(14)

Угол в при равномерном движении антенны по окружности можно найти по формуле:

(15)

где щ - угловая скорость вращения антенны, рад/с.

Рассмотрим форму отраженного сигнала в РЛС кругового обзора. По мере вращения антенны амплитуда зондирующих импульсов, облучающих цель, изменяется в соответствии с диаграммой направленности. Таким образом, зондирующий сигнал, облучающий цель, оказывается модулированным и описывается функцией времени

(16)

где s_П (t) - радиоимпульсы передатчика.

Предположим, что цель практически не изменяет длительность отраженных импульсов, а также движением цели за время облучения можно пренебречь. Тогда отраженный сигнал характеризуется функцией:

(17)

где k - постоянный коэффициент.

Для одно-антенной РЛС, у которой диаграмма направленности антенны при приеме описывается той же функцией F_E(t), что и при передаче, сигнал на входе приемника записывается в виде:

(18)

Т.к. скорость вращения антенны сравнительно невелика и смещение луча за время запаздывания гораздо меньше, чем ширина диаграммы направленности, то F_E(t)?F_E(t - t_З). Кроме того, функция, характеризующая диаграмму направленности по мощности:

(19)

где в - угол, отсчитываемый в одну сторону от максимума до азимута цели, град;

И_0,5 - ширина диаграммы направленности по половинной мощности, отсчитываемая в обе стороны от максимума (рисунок 2.3), град.

С учетом сказанного (17) можно представить в виде:

(20)

т.е. импульсы на входе приемника оказываются промодулированными по амплитуде в соответствии с диаграммой направленности антенны по мощности.

Азимут цели определяется по параметрам датчика преобразователя угол-код (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Схема включения датчика преобразователя угол-код

При вращении антенны сигналы от фото излучателя фиксируются фото приемником после прохождения сигналов через отверстия в пластине, размещенной на оси антенны. Сигналы от фотоприемника передаются на счетчик, который формирует импульсы, называемые импульсами МАИ (малые азимутные интервалы). Угол поворота антенны, а, следовательно, и азимут принимаемого радиолокационного сигнала определяется по импульсам МАИ. Количество МАИ совпадает с коэффициентом пересчета счетчика и определяет, с какой точностью производится измерение азимута.

Исходя из вышесказанного, антенный модуль характеризуется следующими параметрами: форма диаграммы направленности и ее ширина, коэффициент усиления антенны, количество МАИ.

2.2.2 Математическая модель передающего устройства

Передающее устройство можно характеризовать мощностью излучения, количеством и типом зондирующих сигналов и законом их расстановки.

Дальность действия РЛС в случае оптимальной обработки сигнала и заданной спектральной плотности шума зависит от энергии зондирующего сигнала независимо от его формы /5/. Учитывая, что предельные мощности электронных приборов и антенно-фидерных устройств ограничены, увеличение дальности неизбежно связано с повышением длительности импульсов, т.е. со снижением потенциальной разрешающей способности по дальности.

Сложные или энергоемкие сигналы позволяют разрешать противоречивые требования повышения дальности обнаружения и разрешающей способности. Дальность обнаружения повышается при использовании сигналов с большой энергией. Увеличение энергии возможно за счет увеличения либо мощности, либо длительности сигнала. Мощность в РЛС ограничена сверху возможностями генератора радиочастоты и особенно электрической прочностью фидерных линий, соединяющих этот генератор с антенной. Следовательно, проще повышать энергию сигнала за счет увеличения длительности сигнала. Однако сигналы большой длительности не обладают хорошим разрешением по дальности. Сложные сигналы с большой базой могут разрешить эти противоречия /7/. В настоящее время широко используются частотно-модулированные (ЧМ) сигналы, как одна из разновидностей сложных сигналов.

Все множество ЧМ сигналов можно описать при помощи формулы:

(21)

где T - длительность импульса, с;

t - время, аргумент функции, изменяется в пределах , c;

b_k - коэффициенты разложения в ряд фазы сигнала;

f₀ - несущая частота сигнала, Гц.

Действительно, при n = 1 получим линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал, у которого коэффициент b₀ - база сигнала - может быть найден как:

(22)

где Дf - девиация частоты ЛЧМ сигнала, Гц.

Если взять n = 1 и девиацию частоты Дf = 0 Гц, то получим сигнал МОНО или видеоимпульс с прямоугольной огибающей, который также широко применяемый в радиолокации для обнаружения целей на небольших расстояниях.

Другим способом повышения энергии сигнала при сохранении небольшой длительности импульсов является использование пачек импульсов, т.е. ряд импульсов, разделенных межимпульсными интервалами, рассматривается как единый сигнал. В этом случае энергия сигнала рассчитывается как сумма энергий всех импульсов /7/.

2.2.3 Математическая модель приемного устройства

Основное назначение приемного устройства - прием сигнала от антенного модуля, его первичная обработка (усиление, перевод на промежуточную частоту, фильтрация, сравнение с исходным сигналом и т.д.), оцифровка сигнала для его дальнейшей обработки. Последнее представляет наибольший интерес, т.к. именно здесь входной сигнал искажается сильнее всего, поэтому одной из важнейших характеристик приемника для цифровых систем являются характеристики АЦП приемника. Обычно для АЦП выделяют такие параметры как число уровней квантования и частоту дискретизации аналогового сигнала.

Прием радиолокационных сигналов обычно производится на фоне помех, которые маскируют сигналы и искажают их параметры. Наиболее распространенным видом помех являются внутренние шумы приемника и шумы внешних источников, которые суммируются с принимаемым радиолокационным сигналом (аддитивные шумы). Эти шумы появляются в приемной антенне за счет наводок или создаются во входных элементах приемного устройства за счет теплового движения электронов в элементах сопротивления, дробового эффекта в электронных приборах и т.п. /4/

Наличие шума в радиолокационном приемнике будет всегда мешать точной оценки временного и частотного положения отраженного сигнала. В наилучшем случае значения параметров, которые могут быть получены при измерении сигнала (в присутствии шума), представляют собой лишь оценки этих параметров. Для оценки точности измерения параметров применяется функция правдоподобия /3/.

Шум характеризуется равномерным распределением мощности по спектру практически от нулевых частот до некоторого достаточно большого значения граничной частоты. При описании статистических свойств шума часто пользуются идеализированной моделью так называемого белого шума, спектральная плотность которого постоянна во всем диапазоне частот. Распределение вероятностей напряжения шума является нормальным с нулевым средним значением и дисперсией у_Ш² /8/:

(23)

Из (23) видно, что для моделирования шума необходимо знать только его среднеквадратичное отклонение.

2.3 Разработка связей между моделями

Все вышеперечисленные параметры и характеристики модулей РЛС учитываются в одной формуле - основном законе радиолокации /1, 4/.

Радиолокационное наблюдение целей, т.е. их обнаружение, измерение параметров движения и оценка свойственных им физических характеристик, возможно, если мощность сигнала цели на входе приемника не меньше некоторого порогового уровня мощности. Можно оценить принимаемую мощность сигнала.

Пусть в некоторой точке пространства на расстоянии D от радиолокационной станции находится цель с эффективной площадью рассеяния S₀. Излучаемая передающей антенной РЛС электромагнитная волна на достаточно большом удалении имеет сферический фронт, ограниченный пределами диаграммы направленности. На этом основании плотность потока мощности прямой электромагнитной волны у цели:

(24)

где P_ИЗЛ - излучаемая антенной мощность, Вт;

- коэффициент направленного действия передающей антенны, 1/м².

Если учесть потери в антенне, то можно от излучаемой мощности перейти к мощности передатчика:

(25)

Вводя коэффициент усиления антенны, равный

(26)

получаем (27)

Если бы на месте цели находилась приемная антенна с эффективной площадью A, то на вход приемника поступала бы мощность:

(28)

Плотность потока мощности у РЛС можно оценить как:

(29)

Отсюда мощность на входе приемника РЛС:

(30)

Полагая, что используется одно-антенная РЛС, воспользуемся соотношением:

(31)

Откуда (32)

где л - длина волны зондирующего сигнала, м.

Полученное уравнение является уравнением радиолокации в свободном пространстве. Оно показывает зависимость мощности отраженного сигнала от параметров станции, характера цели и ее удаленности от РЛС.

В реальной обстановке мощность принимаемого радиолокационного сигнала уменьшается из-за потерь в различных модулях РЛС: потерь в приемном тракте РЛС, потерь при несогласованной фильтрации и т.д., поэтому (32) примет вид:

(33)

где з - суммарные потери мощности, %.

3 Разработка программного комплекса

3.1 Разработка структуры программного комплекса

Исходя из анализа технического задания и требований к программному продукту, была разработана следующая структура программного комплекса (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Структура программного комплекса

Основной модуль или ядро является главным в структуре программного комплекса. Модуль обрабатывает осведомительные сигналы и данные от остальных модулей, вырабатывает управляющие сигналы для других модулей и руководит работой программного комплекса в целом.

Модуль интерфейса с пользователем организует диалог пользователя с программным комплексом. В зависимости от действий пользователя модуль передает осведомительные сигналы основному модулю, а в зависимости от управляющих сигналов от основного модуля, выводит конкретную информацию пользователю. Модуль осуществляет контроль над действиями пользователя, ограничивая диапазон допустимых символов при вводе информации с клавиатуры.

Модуль моделирования радиолокационной обстановки предназначен для расчета параметров радиолокационной обстановки на основе данных, введенных пользователем. Данные передаются от основного модуля. После расчета данных производится их запись в файл оговоренного формата (таблица А.1).

В случае обнаружения ошибки при моделировании или возникновении исключительной ситуации происходит остановка процесса моделирования, основному модулю передается сигнал с указанием кода ошибки, на основе которого модуль интерфейса с пользователем формирует сообщение об остановке процесса моделирования с указанием причины, вызвавшей остановку. Если процесс моделирования заканчивается нормальным образом, то управление также передается основному модулю, но сообщение пользователю гласит о нормальном окончании процесса моделирования.

Модуль организации обмена с внешними приложениями организует прием и передачу информации во внешние приложения на основе выбранной модели взаимодействия.

Модуль обмена данными с аппаратными ресурсами служит для передачи данных в устройства обработки радиолокационной информации, реализованные аппаратно, на основе установленных драйверов. После окончания загрузки данных или возникновении ошибки в ходе загрузки основному модулю также передается сообщение с указанием причины, вызвавшей остановку, или сообщение о нормальном завершении процесса загрузки, которое также отображается модулем интерфейса с пользователем.

В рамках дипломного проекта были реализованы модуль интерфейса с пользователем, модуль моделирования радиолокационной обстановки и модуль организации обмена данными с внешними приложениями. Доработку программного комплекса предполагается произвести в более поздние сроки, после окончания дипломирования. Разработанный программный комплекс может быть использован по назначению и уже в существующем виде, используя другие программные продукты для загрузки данных в устройства обработки радиолокационной информации.

3.2 Разработка алгоритмов работы программного комплекса

3.2.1 Общий алгоритм работы программного комплекса

Исходя из анализа технического задания и списка функций, которые необходимо реализовать, был разработан следующий укрупненная схема алгоритма работы программного комплекса (рисунок 3.2).

Поскольку программный комплекс разрабатывается для работы в операционной системе Microsoft Windows 9x, для которой предпочтительнее использовать событийно-ориентированное программирование, то схема работы программы представляет собой замкнутый цикл, на каждом проходе которого происходит проверка действий пользователя и генерация на них ответного действия. Цикл продолжается до тех пор, пока пользователь не активизирует один из управляющих элементов по закрытию программы.

При инициализации приложения или при выборе пользователем определенного элемента управления происходит очистка всех внутренних массивов и списков, сброс всех признаков и т.д.



Рисунок 3.2 - Укрупненная схема работы программы. Лист 1



Рисунок 3.2 - Лист 2



Рисунок 3.2 - Лист 3



Рисунок 3.2 - Лист 4

Исходные данные для моделирования могут быть либо загружены из ранее сохраненного файла или введены вручную. В первом случае данные считываются из файла, выставляются признаки ввода данных, и пользователь может пропустить некоторые шаги задания параметров, переходя непосредственно к моделированию радиолокационной обстановки, если введены все необходимые параметры.

Данные, считанные из файла, могут быть изменены или введены новые параметры путем активизации соответствующих форм. Порядок ввода параметров может быть любым. Единственное ограничение состоит в том, что в первую очередь необходимо задать параметры зондирующих сигналов, а уже потом выполнить их расстановку.

Введенные данные могут быть сохранены для последующего повторного использования в специальном файле, имя и размещение которого задается пользователем.

После задания всех параметров становится возможным моделирование радиолокационной обстановки, после окончания которой пользователь сможет просмотреть результат при помощи одной из утилит или загрузить данные в реальное устройство обработки радиолокационной информации.

3.2.2 Разработка алгоритма реализации математических моделей

Как уже было сказано выше, программный комплекс реализует имитационное моделирование, основанное на математических моделях атомарных объектов. В качестве одного из атомарных объектов была взята точечная цель. Любой распределенный радиолокационный объект или групповой излучатель может быть представлен как совокупность таких точечных излучателей, распределенных внутри искомого объекта по некоторому закону. Параметры точечных излучателей определяются по параметрам искомого объекта и выбранной математической модели.

Для унификации и упрощения расчетов перед началом моделирования необходимо все распределенные объекты разбить на точечные излучатели, определив для каждого излучателя ЭПР и местоположение в пространстве в соответствии с выбранной моделью.

Все полученные данные необходимо свести в один массив, элементы которого, программные объекты - точечные излучатели, могут использоваться для расчета принимаемого РЛС радиолокационного сигнала. Полученный массив можно отсортировать по возрастанию азимутов точечных излучателей с тем, чтобы ускорить процесс моделирования при определении облучается ли точечный излучатель зондирующим сигналом (см. ниже).

Укрупненная схема описанного процесса приведена на рисунке 3.3.

После подготовки всех радиолокационных объектов необходимо аналогичную операцию произвести с зондирующими сигналами - необходимо разбить их на отдельные импульсы, определить для каждого импульса момент запуска и интервал от запуска предыдущего импульса, свести данные в массив импульсов, отсортировать массив по времени запуска отдельных импульсов. Далее необходимо определить время моделирования - время задается пользователем либо в явном виде, либо пользователь задает количество отсчетов по азимуту в малых азимутных интервалах (МАИ). Во втором случае необходимо



Рисунок 3.3 - Укрупненная схема процесса подготовки к моделированию

произвести пересчет введенного значения в секунды, воспользовавшись формулой:

(34)

где N_МОД - количество отсчетов по азимуту в МАИ для моделирования;

N_ОБ - количество МАИ за полный оборот антенны;

Т_ВР - период вращения антенны, с.

После определения времени моделирования процесс моделирования можно описать как цикл, который выполняется до тех пор, пока значение переменной содержащей время, прошедшее от начала моделирования, не превысит времени моделирования, определенного ранее. Шаг между двумя итерациями цикла равен интервалу между моментами запуска двух соседних импульсов (двумя соседними элементами массива импульсов).

На каждом проходе цикла пакет данных с отсчетами по дальности заполняется белым шумом, на который накладывается отраженный сигнал, который определяется как сумма отражений от всех точечных излучателей, облучаемых импульсом, пришедшим в данный момент.

Отраженный сигнал рассчитывается как совокупность мгновенный значений амплитуды сигнала, т.е. первоначально определяется действующее значение амплитуды отраженного сигнала, затем фаза сигнала и мгновенное значение амплитуды сигнала. Полученные мгновенные значения амплитуды отраженного сигнала записываются по отсчетам дальности данного пакета (таблица А.1).

Решение о том, будет ли облучен данный точечный излучатель или нет, применяется после анализа функции диаграммы направленности по азимуту (19). Если значение функции меньше 0,01, то считается, что точечный излучатель не облучается данным импульсом. В противном случае для данного точечного излучателя будет рассчитан отраженный сигнал.

После расчета данных полученный пакет записывается в файл.

Укрупненные блок-схемы на рисунках 3.4 и 3.5 иллюстрируют вышесказанное.

3.3 Программная реализация математических моделей

После разработки алгоритмов реализации математических моделей можно сделать вывод о том, что для программной реализации разработанных моделей наиболее подходит объектно-ориентированный подход, все достоинства которого широко известны /9/.

При использовании объектно-ориентированного подхода реализация математических моделей будет сведена к реализации методов и атрибутов (свойств) для программных объектов. В качестве атрибутов (свойств) программных объектов будут выступать параметры реальных объектов, выделенные при разработке математического обеспечения.

В качестве базовых программных объектов можно взять объекты, которые описывают следующие реальные объекты: радиолокационный объект или цель, зондирующий сигнал и РЛС в целом.



Рисунок 3.4 - Укрупненная схема алгоритма процесса моделирования



Рисунок 3.5 - Укрупненная схема подпрограммы расчета отраженного сигнала

Однотипные объекты лучше объединить в массивы для унификации доступа. Массивы обязательно должны быть динамическими, поскольку количество элементов, а, следовательно, и размер памяти, занимаемый массивом, может меняться.

Заголовочный файл на языке C++, содержащий описание программных объектов, приведен в приложении Б.

3.4 Разработка интерфейса пользователя

3.4.1 Выбор среды разработки

Поскольку разрабатываемый программный комплекс разрабатывается для работы под управлением операционной системы Windows 9x, то для удобства разработки и последующей эксплуатации лучше воспользоваться одним из средств RAD, использующих событийно-ориентированное программирование. В качестве такой системы был выбран продукт C++ Builder фирмы Borland. Программный продукт обладает всеми достоинствами RAD системы, позволяет использовать преимущества языка программирования C++ и создавать серьезные приложения для работы в операционной системе Windows 9x.

Программный продукт C++ Builder позволяет создавать приложения, основным интерфейсным элементом которых является форма - стандартный элемент управления Windows «окно» с уже определенным стилем. Разрабатываемое приложение проектируется как совокупность таких форм, на которых располагаются остальные элементы управления.

3.4.2 Описание интерфейса пользователя

При инициализации приложения отображается форма (рисунок 3.6), где сосредоточены основные элементы управления. Через эту форму можно получить доступ ко всем функциям разрабатываемого программного комплекса.



Рисунок 3.6 - Главная форма приложения

По умолчанию, некоторые элементы управления заблокированы и становятся доступны пользователю после ввода определенных параметров или выполнения определенных действий. Все элементы управления, выведенные на панель управления, продублированы в главном меню приложения и снабжены всплывающими подсказками (hints), которые также отображаются в строке состояния.

На главной форме приложения сосредоточены следующие элементы управления:

1 - создание нового файла, после активизации элемента управления очищаются все внутренние структуры хранения данных, вся, не сохраненная информация, стирается;

2 - открытие файла, после активизации элемента управления появляется диалог открытия файла, где пользователь может выбрать имя файла с ранее сохраненными параметрами. Данные из выбранного файла загружаются во внутренние структуры и отображаются в элементах 13, 14, 16;