Наземная РТС наблюдения в зоне аэропорта

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И ФИЗИКИ

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАДИОТЕХНИКИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по курсу Радиотехнические системы

Наземная РТС наблюдения в зоне аэропорта

Студент гр. РТ5-91 Преподаватель

Шабалов Р.А. Молчанов А.Н.

Новосибирск-2013

Содержание

Задание на проектируемую систему

Анализ технического задания

Выбор оптимальной рабочей длины волны

Антенная система

Зона действия РЛС

Методы измерения координат

Выбор зондирующего сигнала

Энергетический расчет радиосистемы

Структурная схема РЛС

Заключение

Список литературы

Задание на проектируемую систему

Вариант 030

Тема курсовой работы: Наземная РТС наблюдения в зоне аэропорта.

Исходные данные для расчета:

максимальная дальность действия ;

зона обзора РЛС по азимуту ;

максимальная высота полета цели ;

ЭПР цели ;

вероятность правильного обнаружения ;

вероятность ложного обнаружения

разрешающая способность РЛС по дальности ;

разрешающая способность РЛС по азимуту ;

среднеквадратическая ошибка измерения дальности ;

среднеквадратическая ошибка измерения азимута ;

Анализ технического задания

При управлении воздушным движением самолетов возникает задача обеспечить безопасность не только полетов самолетов, но также и их безопасность при движении по ВПП на взлете и посадке и по рулежным дорожкам, а также автотранспорта и людей, находящихся на летном поле. Радиолокационные станции обзора летного поля предназначены для обеспечения безопасности движения самолетов по летному полю в сложных метеорологических условиях днем и ночью и решают следующие задачи: наблюдение за самолетами, идущими на посадку с высоты 50 м и расстояния 4 км от начала ВПП, за движением самолетов по ВПП и рулежным дорожкам, контроль за взлетающими самолетами наблюдение и контроль за автотранспортом, пересекающим ВПП и движущимся по рулежным дорожкам.

Роль РЛС обзора летного поля в общей системе УВД возрастает в связи с усложнением метеорологических условий, при которых могут осуществляться взлет и посадка самолетов.

РЛС обзора летного поля представляет специальную радиолокационную станцию, обеспечивающую обзор земной поверхности летного поля и предметов на ней, т. е. она выдает информацию о координатах различных объектов, находящихся на летном поле (азимут и наклонная дальность), и о их взаимном расположении.

Исходя из назначения и задач, решаемых РЛС обзора летного поля, важнейшими характеристиками станции являются высокая разрешающая способность и малая область мертвой зоны.

Высокая разрешающая способность по дальности и азимуту позволяет раздельно наблюдать два близко расположенных объекта и, следовательно, правильно определять их взаимное расположение на летном поле. Для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности станция должна работать короткими импульсами, а индикатор должен иметь большой диаметр экрана и небольшие масштабы развертки.

Радиолокаторы обзора летного поля устанавливаются непосредственно на аэродроме, и поэтому их важной характеристикой является малая область мертвой зоны, что позволяет наблюдать объекты, находящиеся вблизи от РЛС. Мертвая зона определяется минимальной дальностью действия радиолокатора.

Основной задачей РЛС обзора летного поля является получение координатной информации от всех объектов, находящихся на летном поле. В связи с этим все объекты должны хорошо наблюдаться из точки размещения РЛС и не должны быть закрыты другими объектами. По этой причине для обеспечения хорошего кругового обзора всего летного поля РЛС размещается на специальной вышке высотой в несколько десятков метров.

Выбор оптимальной рабочей длины волны

Длина волны является одним из важнейших технических параметров РЛС, определяющих особенности распространения волн, требуемый энергетический потенциал при заданных показателях качества, конструкцию и габариты антенных устройств и элементов приемопередающей аппаратуры.

При проектировании большинства систем необходимо обеспечить заданную разрешающую способность по угловым координатам. Это достигается за счет соответствующего выбора ширины ДН или связанного с нею усиления антенны. В реальных условиях предельные размеры антенн, как правило, ограничены. В связи с этим длину волны следует выбирать так, чтобы при данных габаритах обеспечивалась требуемая угловая разрешающая способность. Тем самым будет обеспечиваться максимальная дальность действия или при данной дальности действия минимальная мощность излучения.

Для данного типа РЛС потери в атмосфере при малой дальности не играют большой роли, так как в станциях такого типа для защиты от пассивных помех, отраженных гидрометеорами (туман, дождь, снег и т.д.) используется поляризационная селекция сигналов. Данные станции работают в миллиметровом диапазоне. По данным, представленным в [1, стр. 291] выберем длину волны . Она удовлетворяет всем вышеперечисленным условиям, а именно обеспечивает заданное разрешение по азимуту и дальности и является приемлемой для использования в РЛС данного типа.

Рабочая частота РЛС: .

Антенная система

В качестве передающей и приемной антенны в данном типе РЛС используются усеченные параболоиды вращения (рис. 1). В фокусе отражателей находятся рупорные облучатели с поляризационными решетками. Пластины поляризационных решеток с помощью электромоторов могут быть установлены под углом к длинной стороне поперечного сечения волновода (рис. 1, б), либо перпендикулярно к ней.

Рис. 1. Конструкция антенной системы РЛС обзора летного поля: а - передающая и приемная антенны; б - положения пластин поляризационной решетки при линейной и круговой поляризации

В первом случае радиолокатор излучает волны с круговой поляризацией, и этот режим работы используется при наличии сильных пассивных помех (например в неблагоприятных погодных условиях). Во втором случае радиолокатор излучает волны с линейной поляризацией. Этот режим используется при слабых пассивных помехах от гидрометеоров или их отсутствии для повышения дальности действия станции.

Зеркало антенны имеет апертуру L1 x L2 , найдем размеры апертуры в азимутальной и угломестной плоскостях.

Разрешающая способность РЛС по угловым координатам определяется рабочей длиной волны и размером апертуры антенны и равна ширине ДН в соответствующих плоскостях.

Ширина ДН в азимутальной плоскости . Определим горизонтальный

размер антенны: .

Ширина ДН в угломестной плоскости . Так как в техническом задании не указана разрешающая способность по углу места необходимо ею задаться. Передающая и приемная антенны в вертикальной плоскости имеют косеканскую диаграмму направленности (рис. 2).

Рис. 2. Размещение радиолокатора обзора летного поля и его ДН в вертикальной плоскости.

Исходя из рис. 2 и заданной дальности действия РЛС, зададимся разрешающей способностью по углу места .

Вертикальный размер антенны: .

Эффективная площадь антенны: .

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны [2, стр.237]: .

Зона действия РЛС

Зона видимости РЛС обзора летного поля в вертикальной плоскости определяется формой диаграммы направленности антенны в этой плоскости (рис. 2) и захватывает определенный сектор пространства от угла до угла . Пределы зоны обзора в горизонтальной плоскости составляют благодаря круговому вращению антенны в горизонтальной плоскости.

Определим зону видимости РЛС.

Пусть антенна размещена на вышке высотой , а [1, стр 291], тогда исходя из рис.2 найдем :

Теперь из заданного , найдем :

.

Радиолокаторы обзора летного поля устанавливаются непосредственно на аэродроме, и поэтому их важной характеристикой является малая область мертвой зоны, что позволяет наблюдать объекты, находящиеся вблизи от РЛС. Мертвая зона определяется минимальной дальностью действия радиолокатора. Эта характеристика зависит от дальности и времени восстановления приемного тракта : .

Для уменьшения минимальной дальности действия, как следует из последнего выражения, необходимо уменьшать длительность импульса и время восстановления приемного тракта. Уменьшение длительности импульса способствует также и повышению разрешающей способности по дальности. Поэтому использование в РЛС обзора летного поля коротких импульсов приводит к удовлетворению требований на две его важные характеристики. Однако только уменьшение длительности импульса еще не обеспечивает достаточно малой величины , так как при этом основное влияние на минимальную дальность действия будет оказывать время восстановления приемного тракта. Оно складывается из времени восстановления приемников и разрядников антенного переключателя. Восстановление приемного устройства может быть ускорено специальными схемными решениями. Влияние же антенного переключателя в нашем случае полностью исключено, так как используются раздельные антенны для передачи и приема, поэтому антенный переключатель не требуется.

Для определения минимальной дальности действия РЛС, определим сначала длительность зондирующего импульса, которая определяется из условия обеспечения заданной разрешающей способности по дальности:

, откуда .

Примем время восстановления чувствительности приемника . Тогда минимальная дальность действия:

.

Минимальная дальность действия, обусловленная максимальным углом места и минимальная дальность действия, обусловленная длительностью импульса и временем восстановления приемного тракта, различается несущественно.

Методы измерения координат

Для измерения расстояния используется в основном временной метод, основанный на измерении времени запаздывания сигнала от объекта или переизлученных им сигналов. Этот метод реализуется при использовании импульсных радиолокационных сигналов. Излучаемые РЛС сигналы имеют вид высокочастотных импульсов с прямоугольной огибающей (рис. 3), длительность ф которых составляет единицы микросекунд.

Рис. 3. Радиолокационные импульсные сигналы: 1 - зондирующий импульс: 2 - отраженный импульс

радиолокационный антенный летный радиолокатор

Импульсные сигналы, излучаемы РЛС, называются зондирующими импульсами. Эти импульсы распространяются в пространстве и отражаются от объектов, встречающихся на пути распространения радиоволн. Отраженные импульсы, принимаемые станцией, запаздывают во времени по отношению к моменту излучения зондирующего импульса на величину времени задержки . Импульсы, отраженные от объектов, находящихся на различных расстояниях, распределяются во времени относительно момента излучения зондирующего импульса в соответствии с расстоянием до объектов. Чем дальше находится цель, тем позже приходит отраженный от нее импульс. В результате импульсы, отраженные от объектов, расположенных на различных расстояниях, не накладываются друг на друга, и поэтому импульсная РЛС позволяет одновременно определять расстояния до нескольких объектов.

Измерение угловых координат (азимута, угла места) основано в большинстве типов РЛС на амплитудном методе. Для этого в РЛС используются остронаправленные антенны, обладающие узкими диаграммами направленности в той плоскости, в той плоскости, в которой производится измерение угловой координаты (например, в горизонтальной, если измеряется азимут). Величина излучаемого, а значит, и принимаемого сигнала зависит от направления на объект (рис. 4).

Рис. 4. Форма диаграммы направленности радиолокационной антенны и зависимость величины отраженных импульсов от направления на объект

При повороте антенны изменяется величина отраженных импульсов, принимаемых станций. Зафиксировав момент достижения максимума отраженных импульсов, можно определить (отсчитать) в это время угол поворота антенны И, который, как следует из рис. 4, будет равен угловой координате объекта (азимуту, углу места). Радиолокационная станция должна измерять координаты объектов, находящихся в определенной зоне пространства. Это означает, что в каждую точку пространства этой зоны должна поступать электромагнитная энергия, излучаемая станцией. Для этого любая РЛС осуществляет обзор пространства.

Обзор по дальности осуществляется путем распространения радиоволн до объектов и обратно. Вследствие использования в РЛС остронаправленных антенн энергия излучается только в определенном направлении, и для облучения остальных точек пространства антенну необходимо перемещать по углу. В зависимости от того, каким образом перемещается антенна, различают различные методы обзора пространства. Наиболее часто в РЛС используется круговой обзор. Антенны этих РЛС имеют узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и более широкую в вертикальной. Для обзора пространства антенна вращается в горизонтальной плоскости с постоянной частотой n оборотов в минуту, последовательно направляя энергию в различные точки пространства.

Определим отношение сигнал/шум (ОСШ), необходимое для обеспечения заданного соотношения вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги. Его можно определить по семейству характеристик обнаружения D(q) [3, рис.3.6], либо по известному уравнению кривой обнаружения:

, откуда

Найдем для каждого значения СКО ОСШ (по напряжению), при котором будет обеспечиваться такая СКО:

;

;

Из трех полученных значений выбираем наибольшее: .

Выбор зондирующего сигнала

Выберем в качестве зондирующего импульсный сигнал с постоянной частотой заполнения. Генераторный прибор для такого сигнала - это магнетрон, вырабатывающий некогерентную последовательность импульсов, количество которых зависит от времени облучения одной точки пространства. Обработка будет осуществляться цифровым обнаружителем, выносящим решение о наличии сигнала по определенному количеству импульсов, превысивших порог.

Зададимся скоростью вращения антенной системы в горизонтальной плоскости:

Тогда период облучения цели составляет:

.

Найдем период обзора. Периодом обзора является время одного полного оборота антенны.

.

Определим максимальное время задержки отраженного сигнала от самой дальней цели в пределах зоны действия станции:

.

Для однозначного измерения дальности период повторения импульсов должен быть больше максимального времени запаздывания сигнала [2, стр.219]. Выберем запас в 25%, тогда: .

При этом частота повторения импульсов:

.

Количество импульсов в пачке: .

Определим коэффициент различимости. Для этого необходимо задаться величиной суммарных потерь в РЛС, которые складываются из потерь в антенне, в ВЧ тракте, в детекторе, в тракте УНЧ, потерь, вызванных заменой оптимального фильтра квазиоптимальным, а также потерь при рассогласовании фильтра приемника с сигналом по полосе пропускания. Примем величину суммарных потерь в РЛС

[4, стр.138,260], тогда

.

Коэффициент различимости показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность полезного сигнала на входе, чтобы скомпенсировать действие активной помехи.

Энергетический расчет радиосистемы

Энергетический расчет включает три вопроса: расчет чувствительности приемника, мощности зондирующего сигнала и расчет динамического диапазона входных сигналов приемника.

Энергия импульса зондирующего сигнала:

где - температура окружающей среды в нормальных условиях; - постоянная Больцмана; - коэффициент различимости; - коэффициент шума приемника.

Мощность сигнала: .

Определим чувствительность приемника:

.

Динамический диапазон сигналов на входе приемника определим, используя уравнение дальности:

Заданная ЭПР относительно невелика. Если в зоне действия появится цель с большой ЭПР, то на вход приемника поступит большой сигнал, поэтому необходимо принять меры к снижению усиления мощных сигналов. Это достигается применением в приемнике системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Диапазон регулирования системы АРУ должен быть не меньше динамического диапазона входных сигналов.

Примем, что максимальная ЭПР цели, которая может попасть в зону действия РЛС, составляет , что соответствует ЭПР транспортного самолета. Определим динамический диапазон:



Соответственно диапазон регулирования системы АРУ должен быть не хуже 95 дБ.

Структурная схема РЛС

Рис. 5. Блок-схема РЛС обзора летного поля

Станция состоит из высокочастотной головки, низкочастотной аппаратуры, комплекта индикаторов, блоков управления и привода вращения антенны.

В состав высокочастотной головки входят все высокочастотные блоки станции - передатчик, приемник (его высокочастотная часть), антенны и антенно-фидерное устройство. Высокочастотная головка размещена на специальной вышке, вращается вместе с антенной и закрыта радиопрозрачным ветрозащитным колпаком. Связь между вращающейся высокочастотной головкой и неподвижной аппаратурой осуществляется с помощью вращающегося волноводного перехода (ВВП).

Передатчик станции состоит из подмодулятора, модулятора (М) и генератора высокой частоты (ГВЧ). На подмодулятор через вращающийся переход (ВП) от блока запуска поступает синхронизирующий импульс. Выработанный подмодулятором маломощный модулирующий импульс усиливается модулятором и поступает на ГВЧ (магнетрон). Под воздействием модулирующего импульса ГВЧ генерирует высокочастотные импульсы миллиметрового диапазона волн. Эти импульсы по волноводу поступают на передающую антенну, а часть мощности зондирующего импульса - на смеситель системы автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Приемник РЛС выполнен по супергетеродинной схеме без усиления по высокой частоте. Отраженные сигналы, принятые приемной антенной, поступают на кристаллический смеситель, куда также подводятся высокочастотные колебания от клистронного гетеродина. Колебания промежуточной частоты усиливаются предварительным усилителем промежуточной частоты (ПУПЧ) и через вращающийся переход по кабелю поступают на оконечную часть приемника, находящуюся на КДП (контрольно-диспетчерский пункт). В ней происходит основное усиление сигналов по промежуточной частоте по промежуточной частоте с помощью УПЧ, детектирование и усиление видеоимпульсов. Усиленные видеоимпульсы через буферные катодные повторители поступают на индикаторы.

Гетеродин приемника снабжен системой АПЧ, обеспечивающей необходимую подстройку частоты гетеродина в соответствии с изменением частоты ГВЧ. На смеситель системы АПЧ поступают колебания ГВЧ и гетеродина.

Усилитель промежуточной частоты приемника имеет схему ВАРУ. Эта схема запускается синхронизирующим импульсом от блока запуска и вырабатывает регулирующее напряжение, величина которого изменяется во времени по определенному закону.

Для защиты приемника от сильных импульсных помех используются УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой. Кроме логарифмической, УПЧ имеет и линейную амплитудную характеристику.

РЛС имеет один контрольный (КИ) и три выносных индикатора (ВИ) кругового обзора. Все индикаторы одинаковые и выполнены на электроннолучевой трубке типа З1ЛМ32В. В индикаторах есть цепи формирования развертки и меток дальности. Угловое положение антенны передается на индикаторы с помощью сервоприводов. Индикаторы работают в режиме кругового и секторного обзора.

Радиолокатор имеет дистанционное управление и контроль работоспособности, которые осуществляются с помощью дистанционного блока управления и контроля (ДБУ). Кроме того, имеется местный блок управления и контроля (МБУ), используемый при ремонте аппаратуры. Для этой же цели служит и контрольный индикатор.

Заключение

В результате выполнения работы был предложен вариант построения наземной РТС наблюдения в зоне аэропорта. Технические характеристики полученной РЛС удовлетворяют требованиям задания. Они приведены в табл.2.

Таблица 2

Параметр	Ед. изм.	Значение
Максимальная дальность действия	км	25
Минимальная дальность действия	км	0.18
Максимальная высота полета цели	км	2
Вероятность правильного обнаружения		0,9
Вероятность ложной тревоги		10-5
Разрешающая способность по дальности	м	30
Разрешающая способность по азимуту	град	1.3
КНД антенны		13584
Длительность импульса	мкс	0.2
Частота повторения импульсов	Гц	5000
Число импульсов в пачке		30
Излучаемая мощность	кВт	27.5
Чувствительность приемника	Вт	5.17·10-13

Список литературы

Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М., «Сов. радио», 1975.

Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. Учеб. пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1970.

Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. М., «Высшая школа», 1990.

Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации. М.: Сов. радио, 1977.

Размещено на Allbest.ru