Проектирование устройства автоматической компенсации доплеровской частоты для СДЦ РЛС 5Н84А

Разрешающая способность по радиальной скорости.

В общем случае этот показатель определяется квадратом АЧХ устройства когерентной компенсации мешающих отражений. Ввиду того, что для проектируемого устройства выбран метод параллельного анализа частоты, разрешающая способность будет зависеть от величины фиксированного частотного сдвига канала. Для достижения требуемой для современной РЛС метрового диапазона разрешающей способности по радиальной скорости 10 м/с, минимальный частотный сдвиг должен быть порядка 15 - 17 Гц. При этом можно показать, что с учетом заданного диапазона скоростей, и того, что облако ДРО может перемещаться как «на РЛС», так и «от РЛС» общее число каналов анализа должно быть равным 7 (здесь учитывается нулевой частотный сдвиг для компенсации сигналов от местных предметов).

Элементная база.

Эффективная работа устройства автоматической компенсации доплеровской частоты основана на применении только современной цифровой элементной базы, поскольку устройство, построенное на аналоговых элементах, окажется не в состоянии отследить частотные сдвиги, равные десяткам Гц, отчего качество их подавления будет снижено [12].

Массо - габаритные параметры устройства.

Разрабатываемое устройство должно обладать небольшим весом (порядка нескольких кг) и иметь габаритные размеры, не превышающие размеры монтажного пространства блока типоразмера 1-1.

Эксплуатационные характеристики.

Устройство должно быть простым в применении (не требовать введения дополнительных аппаратным, программных средств) и иметь высокую надежность.

Таким образом, устройство автоматической компенсации доплеровской частоты , проектируемое в целях повышения помехозащищенности РЛС 5Н84А должно удовлетворять изложенным выше требованиям и в то же время, «вклинившись» в тракт обработки сигналов РЛС не нарушать работу компенсационного устройства системы СДЦ.

3.2 Разработка структурной схемы устройства автоматической компенсации доплеровской частоты

Структурная схема устройства автоматической компенсации частоты Доплера, использующая принцип параллельного анализа и удовлетворяющая предъявленным к нему требованиям, представлена на рисунке 3.1.

Как было отмечено выше, в основе принципа работы данного устройства лежит метод использования параллельных схем анализа доплеровской частоты. Для осуществления сопряжения аналоговой аппаратуры когерентно-импульсного устройства системы СДЦ РЛС 5Н84А с цифровой схемой автоматической компенсации доплеровской частоты применены аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Импульс фазирования через каскад фазирования, предназначенный для защиты когерентного гетеродина от воздействия случайных помех и усиления по амплитуде поступает на когерентный гетеродин (рисунок 3.1). При поступлении на когерентный гетеродин фазирующих импульсов второй промежуточной частоты (10 МГц) гетеродину навязывается фаза импульсов передающего устройства. В дальнейшем когерентный гетеродин вырабатывает колебания второй промежуточной частоты с этой фазой до прихода фазирующего импульса в следующем периоде повторения РЛС. С выхода когерентного гетеродина сигналы разделяется посредством фазовращателя на 2 квадратурные составляющие. Далее сигнал каждой квадратуры через соответствующий балансный модулятор, предназначенный для изменения амплитуды и управляемый сигналами устройства анализа, поступают на сумматор. Сумматор производит сложение 2-х квадратурных составляющих в, результате которого объединённый сигнал приобретает необходимый фазовый (следовательно, и частотный) сдвиг, определяемый скоростью перемещения облака ДРО. Преобразованный таким образом сигнал когерентного гетеродина поступает на фазовый детектор. Фазовый детектор предназначен для преобразования фазовых различий эхо-сигналов в амплитудные. В зависимости от фазы приходящих эхо-сигналов (по отношению к когерентному сигналу) меняется и выходное напряжение фазового детектора. С выхода фазового детектора видеосигналы поступают на компенсационное устройство для их дальнейшей обработки.

Сигналы с выхода усилителя-ограничителя, предназначенного для ограничения амплитудных флюктуаций эхо-сигналов, поступают на фазовые детекторы, преобразующие радиосигнал второй промежуточной частоты в видеоимпульсы 2-х квадратурных составляющих (разложение необходимо для сохранения значения начальной фазы радиоимпульса, поскольку оцифровке подвергается видеосигнал). С выходов фазовых детекторов, сигналы 2-х квадратур поступают на аналого-цифровые преобразователи, где из аналоговой формы сигнал преобразуется в цифровой. Оцифрованный эхо-сигнал (его две составляющие) с выходов аналого-цифровых преобразователей поступает одновременно на 7 фазовращателей, осуществляющих изменение частоты поступающих сигналов на величины - - 17, - 34, -50, 0, 17, 34, 50 Гц в зависимости от номера доплеровского подканала. Такое количество доплеровских подканалов анализа обеспечит подавление пассивных помех, перемещающихся под действием ветра со скоростями от 0 до 180 км/ч. Сдвинутый по частоте сигнал поступает на входы схем компенсации и преобразования, где в зависимости от полученного в фазовращателе вазового сдвига подавляется с определённым качеством. Чем ближе величина фазового сдвига, сообщаемая фазовращателем эхо-сигналу к фазовому сдвигу реальной дипольной помехи, тем лучше сигнал будет подавлен, и тем меньше будет число превышений сигнала на выходе схемы.

Устройство выбора минимума осуществит выбор такого подканала анализа доплеровской частоты и коммутацию его на выход схемы, в котором зафиксировано минимальное число превышений на выходе схемы компенсации и преобразования.

Затем необходимая величина частотной подстройки равной частоте Доплера будет сообщена сигналу с выхода когерентного гетеродина через балансные модуляторы и сумматор. Таким образом, на входах фазового детектора будет обеспечена синфазность сигналов пассивных помех, которые в последующем скомпенсируются потенциалоскопами.

3.3 Выбор элементов и расчёт параметров принципиальной схемы

Расчёт параметров АЦП:

К параметрам АЦП относятся такие показатели, как число разрядов, шаг квантования, число уровней квантования.

Число разрядовопределяется необходимым числом уровней квантования исходя из динамического диапазона сигнала и шага квантования . При выборе шага квантования равным среднеквадратическому значению собственных шумов приёмника , которое ограничивает и значения ,. Отсюда необходимое число уровней квантования , а требуемая разрядность АЦП:

(3.2)

Известно, что [13]. Тогда из выражения 3.2. следует, что требуемая разрядность АЦП :

(3.3)

Число разрядоввлияет на качество работы устройства автоматической компенсации доплеровской частоты.

Выбор фазовращателей:

Из пункта 3.2 известно, что каждым из доплеровских подканалов анализа производится изменение фазы поступающих эхо-сигналов на разные величины -50, -34, -17, 0, 17, 34, 50 Гц. Эта процедура осуществляется путём умножения каждой из квадратур на необходимый управляющий сигнал, в результате которого изменятся их амплитуды (суммирование квадратур даст, в итоге изменение фазы).

Реализация устройства на микросхемах К1ЛС131, выполняющего функцию фазовращателя представлена на рисунке 3.2.

Микросхемы построены на элементах И ИЛИ. Принцип работы заключается в том, что при поступлении (рисунок 3.2) на один их вход оцифрованного эхо-сигнала (cos x и sin x), а на другой вход необходимой величины управляющего сигнала (Упр.) на выходе схемы произойдёт изменение амплитуд cos- и sin- составляющих эхо-сигнала на требуемую величину.

Выбор элементов схемы компенсации и преобразования:

Структурная схема устройства компенсации и преобразования представлена на рисунке 3.3.

В качестве вычитающих устройств целесообразно применить рекурсивные фильтры первого порядка. На рисунке 3.4 представлена структурная схема рекурсивного фильтра первого порядка, применяемого в устройстве автоматической компенсации доплеровской частоты [15]. Применение рекурсивных фильтров, т.е. фильтров с обратной связью, позволяет улучшить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) вычитающего устройства, не повышая его порядка. Так, в рекурсивном фильтре первого порядка (рисунок 3.4) использование обратной связи с коэффициентом обратной связи даёт возможность расширить зону подавления вокруг частот nFп .

Действительно, передаточная функция такого фильтра имеет вид:

(3.4)

Отсюда АЧХ фильтра (рис.3.5):

(3.5)

Таким образом, в рекурсивном фильтре первого порядка при наличии лишь одного элемента памяти можно получить АЧХ, близкую к АЧХ,

нерекурсивного фильтра второго порядка.

Реализация вычитающего устройства на микросхемах К1ИС061А, К1ИР061А и К1ЛС131 представлена на рисунке 3.6.

Принцип работы вычитающего устройства заключается в различном качестве подавления эхо-сигналов, отражённых от ДРО. Чем ближе величина фазового сдвига сообщаемого фазовращателем эхо-сигналу от дипольной помехи к реальной величине фазы помехи, тем лучше она будет вычтена (подавлена) в сумматоре 2 (рисунок 3.4), и тем меньше остатков от пассивных помех будет на выходе фильтра. Семиразрядный регистр обеспечивает хранение информации на один период повторения станции.

Элемент DD1 представляет собой сумматор 1. Элементы DD2, DD3, DD4, DD5, DD7, DD8, DD11, DD12, DD13 образуют семиразрядный регистр.

Элементы DD6, DD9, DD10 образуют умножитель. Осуществляя умножение на различную величину коэффициента (рисунок 3.4) можно добиться увеличения зоны режекции фильтра (рисунок 3.5). DD14 выполняет функцию сумматора 2.

Неотъемлемым элементом для осуществления функционирования устройства автоматической компенсации доплеровской частоты является пороговое устройство. Работа его заключается в пропускании сигналов с выхода вычитающего устройства, превышающих уровень собственных шумов на вход устройства выбора минимума.

Реализация порогового устройства на микросхеме 134ЛР4А представлена на рисунке 3.7.

Устройство выбора минимума:

Как было отмечено выше устройство, необходимое для построения канала анализа доплеровской частоты должно из всех сигналов с выходов пороговых устройств выбрать минимальный. А, как известно, каждый из семи подканалов анализа доплеровской частоты настроен на определённый фазовый сдвиг и определив номер канала, в котором был зафиксирован минимум сигнала можно будет узнать какую частоту необходимо сообщить когерентному гетеродину для последующего синфазного сравнения эхо-сигналов в фазовом детекторе. Функциональная схема устройства, выполняющего данную операцию (устройства выбора минимума) представлена на рисунке 3.8.

В связи с тем, что перевод сигнала с цифрового в аналоговый вид осуществляется ЦАП до устройства выбора минимума, построение данного устройства осуществляется на аналоговых компараторах. Компараторы осуществляют выбор минимального сигнала из двух поступивших на их входы сигналов в две ступени. Сначала выбирается минимум из всех выходных сигналов с ЦАП Затем по выбранным минимальным сигналам в первой ступени снова определяется минимум во второй ступени. Таким образом на выходе устройства выбора минимума будет сигнал с частотной добавкой того канала, в котором зафиксирован минимум превышений на выходе порогового устройства. Данная частота будет сообщена когерентному гетеродину через балансные модуляторы.

3.4 Моделирование устройства анализа доплеровской частоты

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов, их настройку и трудоемкое исследование. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.

Моделирование - универсальный метод исследования и оценки эффективности систем.

Модель может быть разработана на любом универсальном языке программирования таком, как Pascale, С++ и других или с помощью пакетов программ Matlab, Mathcad, P-cad. Выбор программы для реализации модели зависит от требований предъявляемых к ней, ее наглядности, адекватности.

Перечисленные пакеты программ позволяют решать различные задачи по созданию модели. Но наиболее подходящей средой для создания модели функционирования можно считать новейшую систему объектно-ориентированного программирования Delphi 7.0 производства корпорации Borland предназначена для операционных систем Windows 95, 98, 2000 и NT. Интегрированная среда Delphi 7.0 обеспечивает скорость визуальной разработки, продуктивность повторно используемых компонент в сочетании с мощью языковых средств Pascale, усовершенствованными инструментами и разномасштабными средствами доступа к базам данных.

Delphi 7.0 может быть использован везде, где требуется дополнить существующие приложения расширенным стандартом языка Pascale, повысить быстродействие и придать пользовательскому интерфейсу качества профессионального уровня.

Таким образом, рассмотрев вышеперечисленные среды программирования по критериям пригодности к реализации, удобства работы и минимизации временных затрат при разработке программы, можно сделать вывод, что наиболее подходящей средой для написания программы, поясняющей принцип функционирования устройства автоматической компенсации доплеровской частоты можно считать Delphi 7.0.

На рисунке 3.10 представлен интерфейс программы, поясняющей принцип функционирования устройства автоматической компенсации доплеровской частоты.

Как видно из рисунка 3.10, интерфейс программы содержит упрощённую структурную схему разрабатываемого устройства, окно ввода скорости перемещения пассивной помехи, окно индикации частоты Доплера, движущейся помехи, а также клавишу «Запуск», осуществляющую пуск функционирования программы.

Принцип работы модели заключается в следующем:

В окне «Скорость пассивной помехи» с помощью клавиатуры осуществляется ввод скорости, с которой перемещается пассивная помеха. При этом диапазон вводимых скоростей не должен выходить за пределы -56 м/с - +56 м/с. Именно в таких пределах скоростей перемещения ДРО устройство способно качественно выполнять задачу компенсации доплеровской частоты. После выполнения данной операции осуществляется нажатие клавиши «Запуск». По её нажатии в окне «частота Доплера пассивной помехи» высвечивается соответствующая цифра, равная частоте Доплера, перемещающихся под действием ветра ДРО, а также загорается лампочка того подканала анализа доплеровской частоты, в котором зафиксирован минимум числа превышений на выходе схемы компенсации и преобразования. Кроме того, окончательным результатом работы программы будет то, что на выходе устройства автоматической компенсации доплеровской частоты будет возможно наблюдать величину частоты, сообщаемую когерентному гетеродину для устранения эффекта перемещения ДРО под действием ветра.

Таким образом, моделирование устройства анализа доплеровской частоты показывает принципиальную возможность функционирования и работоспособности устройства автоматической компенсации доплеровской частоты. При этом можно говорить о возможном улучшении разрешающей способности по радиальной скорости путём увеличения числа подканалов анализа доплеровской частоты и соответственного уменьшения их взаимной частотной расстройки.

Заключение

Целью данной дипломной работы является разработка устройства автоматической компенсации доплеровской частоты.

В ходе работы над дипломом решены следующие задачи:

Проведен анализ вооружённых конфликтов с применением РЛС РТВ, а также произведена оценка влияния пассивных помех на их помехозащищённость.

Произведён анализ существующих схем построения устройств компенсации доплеровской частоты, в том числе и схемы компенсации действия ветра РЛС 5Н84А.

Разработана структурная и функциональная схемы устройства автоматической компенсации доплеровской частоты, работоспособность которых подтверждена компьютерным моделированием.

Конечным результатом дипломной работы является устройство автоматической компенсации доплеровской частоты, разработанное в соответствии с требованиями, предъявляемыми к аппаратуре помехозащиты современной РЛС.

Существенным достоинством предложенного устройства является автоматический процесс фазирования когерентного гетеродина частотой эхо-сигнала от ДРО, перемещающихся под действием ветра. Поэтому замена штатной схемы компенсации действия ветра РЛС 5Н84А на устройство автоматической компенсации доплеровской частоты является целесообразным и актуальным решением в вопросе повышения помехозащищенности станции.

Список литературы

Мальцев Л. С. Вооружённые силы Республики Беларусь. История и современность. - Мн.: Асобны Дах 2003 г.

Мисурагин И. А. Операция «Свобода Ирака».- Мн.: ВАРБ 2003 г.

Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - Москва: Военное издательство, 1989 г.

Гейстер С. Р. Системное проектирование и расчёт радиолокаторов ПВО. Часть 1. - Мн.: ВАРБ 1998 г.

Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. - Москва: Сов. радио,

1978 г.

Ширман Я. Д. Теоретические основы радиолокации. - Харьков: Издание академии, 1984 г.

Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. - Москва: «Высшая школа» 1990 г.

Чердынцев В.А. Радиотехнические системы. - Минск: «Высшая школа»

1988 г.

Кардаков В. И. Трёхкоординатная РЛС 55Ж6. - Минск, 2005 г.

Чернявский Н.И. Материальная часть изделия 5Н84А. - Издание училища, 1984 г.

Бакулев П. А. Радиолокационные методы селекции движущихся целей. - Москва: оборонгиз, 1983 г.

Бондаренко Б.Ф. Основы построения РЛС РТВ.. - КВИРТУ ПВО. 1985 г.

Комплект штатной документации на РЛС 5Н84А.

Степанов Г. А. Инженерная графика. Правила выполнения текстовых и графических документов, курсовых и дипломных проектов. Методические рекомендации. - Минск. Издание академии, 1999 г.

Демидов А. В. Цифровая и вычислительная техника. - Минск,2007 г.

Богданович М. И. Справочник по цифровым интегральным микросхемам. - Минск, «Беларусь», 1991 г.

Новожилов О. П. Основы цифровой техники. - Москва, Радиософт, 2004 г.

Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. - БХВ-Санкт-Питербург. 2004 г.

Размещено на Allbest.ru