Разработка бортовой радиолокационной системы для беспилотного летательного аппарата

п.) и свойствами среды распространения радиоволн.Совокупность технических характеристик обеспечивает установленные эксплуатационно - тактические требования, предъявляемые к системе. Рассмотрим кратко основные технические характеристики РЛС.Частота несущих колебаний имеет исключительно большое значение для свойств и возможностей РТС. От частоты радиосигналов зависят особенности их распространения, отражения и рассеяния. Для излучения и приёма радиосигналов приходится использовать различные типы антенн, различные виды активных и пассивных элементов высокочастотных трактов передающих и приёмных каналов РТС, электрические и конструктивные параметры которых в значительной степени определяются частотой колебаний.Часто в технических характеристиках радиосистем вместо несущей частоты / указывают длину волны X (диапазон длин волн) несущих колебаний. Напомним, что длиной волны называют расстояние, которое проходит радиосигнал в среде распространения со скоростью с = 3^ 108 м/с за время, равное одному периоду колебания Т = 1 /fX = с Т = с / fМощность излучаемых колебанийОт выходной мощности во многом зависит обеспечение необходимой дальности действия РТС. В зависимости от назначения и режимов работы современные РТС используют передатчики с выходной мощностью от долей милливатта до десятков мегаватт.Чувствительность приёмных устройствЧувствительность характеризует способность радиоприёмника принимать слабые радиосигналы. Количественно она определяется минимальной мощностью сигнала на входе приёмника, при которой сигнал на его выходе обеспечивает нормальную работу выходного устройства при заданных показателях качества (например, необходимый уровень разборчивости речи в системах связи, обнаружение целей с заданной вероятностью по отметкам на индикаторе РЛС и т.д.). Ограничение чувствительности происходит из-за наличия шумов на входе приёмника. Во многих случаях чувствительность определяют по уровню двойного превышения мощности полезного сигнала над мощностью шумов. В некоторых РТС чувствительность достигает очень малых значений 10-22 Вт [1], т.е. на 22 порядка меньше одного ватта.Параметры первичных источников питанияОсновными источниками первичного питания бортовой радиотехнической аппаратуры являются источники переменного тока 200 В 400 Гц и 115 В 400 Гц, а также источник постоянного тока ± 27 В.Масса - габаритные характеристики аппаратуры.Масса-габаритные характеристики определяют линейные размеры аппаратуры, её массу и занимаемый объём при размещении на объектах. Они часто являются одними из основных, определяющих характеристик аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах, на космических и атмосферных летательных аппаратах.Под дальностью действия радиотехнических систем понимают максимальное расстояние, при котором обеспечиваются заданные показатели качества работы системы, например заданные точности измерения угловых координат, скорости движения и других навигационных параметров объектов.Пороговое отношение сигнал/шум q при обнаружении пачки n некогерентных импульсов с дружно флуктуирующими амплитудами определяется соотношением:Подставив числовые значения, получим минимальное и максимальное значения отношения сигнал/шум:Коэффициент шума приемника показывает, насколько ухудшается чувствительность приемника под действием собственных шумов. Собственный шум создается элементами схемы приемника и определяется шумовой температурой приемника:Найдем спектральную плотность шума:где– коэффициент Больцмана,.Пороговая энергия на выходе приемного тракта определяется по формуле: – коэффициент потерь в приемном тракте в разах.Найдем коэффициент усиления антенны:, (4.1) – эффективная площадь антенны, м2., (4.2) – геометрическая площадь антенны, м2; – коэффициент эффективности антенны, который зависит от распределения поля в раскрыве антенны [1, с. 99]. (4.3)Подставляя (4.2) и (4.3) в (4.1), получим:Вычислим потери энергии на трассе распространения сигнала:, (4.4) – дальность в свободном пространстве, м; – коэффициент потерь энергии электромагнитного излучения в атмосфере., (4.5)- коэффициент селективного поглощения в молекулах кислорода, дБ/км;– коэффициент селективного поглощения в парах воды, дБ/км; - длина полосы осадков, км; – коэффициент затухания в дожде, мм/ч.Из графиков на рис. 4.1 [2] можно определить, что для волны длиной 0,9 см коэффициент селективного поглощения в парах воды будет равен 0.1, а коэффициент селективного поглощения кислородом – 0,05.Интенсивность слабого дождя примем равной 1 мм/ч [1]. Тогда из первого графика на рис. 4.1 видно, что коэффициент затухания на длине волны 0,9 см равен 0,9.Рисунок 4.1 – Зависимость коэффициента затухания радиоволн от длины волны: а – затухание в дожде и тумане, б - селективное поглощениеПодставим полученные значения в (4.4) и (4.5):Требуемую мощность излучения будем рассчитывать, принимая максимальную дальность равной9,61 км.Требуемую мощность можно найти из основного уравнения радиолокации: (4.6)Учтем, что(4.7)И найдем из уравнения (4.7) Eзонд:– эффективная площадь рассеяния, м2.Эффективной площадью рассеяния объекта называют площадь поперечного сечения такого воображаемого объекта, который рассеивает всю падающую на него энергию изотропно, т.е. равномерно во всех направлениях, и при этом создаёт на входе приёмника такой же сигнал, как и реальный объект.Для большинства реальных объектов ЭПР не связана простым соотношением с геометрическими размерами, можно только считать, что чем больше размеры, тем больше ЭПР. ЭПР позволяет сравнить отражательные свойства любых объектов, не уточняя их конкретной формы, материала, геометрических размеров.Отражающие свойства реальных объектов определяют для каждого вида многочисленными экспериментальными измерениями с последующим осреднением результатов. Среднестатистические значения ЭПР для различных типов точечных объектов и коэффициентов обратного отражения для различных видов подстилающей поверхности приводят в справочной и учебной литературе [12]. В качестве примера в таблице 4.1 приведены ЭПР некоторых объектов.Таблица 1.1Примеры ЭПР некоторых объектовТип объектаЭПР, м2Истребитель5 - 8Бомбардировщик15 - 20Транспортный самолёт30 - 50Крылатая ракета0,3 - 0,8Головная часть баллистической ракеты10-3 - 1,0Катер100Транспорт малого тоннажа (50 - 200 т)50 - 250Транспорт среднего тоннажа (500 - 7000 т)103 - 104Транспорт большого тоннажа (свыше 7500 т)> 104Рубка подводной лодки1,0Автомобиль, танк7 -10Человек0,5 - 1,2При увеличении дальности до объекта мощность отражённого сигнала на входе приёмного канала уменьшается, достигая порогового уровня, ограничивающего максимальное значение дальности действия РЛС. Эта мощность, определяющая чувствительность приёмного канала радиолинии, должна быть достаточной для извлечения информации с заданной достоверностью при наличии помех, включая и внутренние шумы приёмника. При этом структура и характеристики приёмного канала, устройств обработки и регистрации информационных сигналов выбирают такими, чтобы свести к возможно низкому уровню, обеспечивающему максимальную дальность действия РЛС как в режиме обнаружения объектов, так и в режиме измерения их координат. В первом случае минимальная мощность на входе приёмника должна обеспечить заданные вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги, а во втором случае - возможность измерения координат объектов с заданной точностью.Допустимая мощность:причем длина волны учитывается в сантиметрах.Т.к. мощность излучения больше предельно допустимой мощности, необходимо использовать зондирующие сигналы сложной формы.Найдем максимально допустимую длительность импульса:требуемая полоса пропускания:Коэффициент сжатия:Погрешность местоопределения:4.2 Структурная и функциональные схемы и принцип работы бортовой РСА БПЛАРассмотрим подробно структурную схему, представленную на рисунке 4.2 . В ее состав входят следующие компоненты.Рисунок 4.2 –Структурная схема РСА БПЛАБортовой радиолокационный комплекс (БРК) вктючает в себя антенну, переключатель прием/передача передатчик, блок формирования сигналов (БФС).синхронизатор, приемник с выходами на фазовые детекторы (ФД) синусного и косинусного квадратурных каналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) квадратурных каналов, блок сопряжения с радиолинией передачи данных, процессор управления и контроля, навигационное оборудование и две радиолинии: командная (КРЛ) и передачи данных (РПД).Наземный комплекс (Рисунок 4.3) включает в себя командную радиолинию, приемник РПД. архив информационных продуктов, устройства синтеза цифровой радиоголограммы (ЦРГ) и некогерентного накопления, устройства нормализации, радиометрической и геометрической коррекции изображений, привязки их к географическим координатам (карте), рабочие места для тематической обработки радиолокационной информации.Рисунок 4.3 – Структурная схема наземного комплексаФункциональная схема представлена на рисунке 4.4. Основное требование к этой части РСА - высокая стабильность амплитудных и фазовых характеристик. Как правило, обработка траекторного сигнала ведется в двух квадратурных каналах, тогда когерентный тракт содержит два фазовых детектора, на которые опорный сигнал частотыРисунок 4.3 – Функциональная схема РСА БПЛАФункциональная схема состоит из следующих компонентов.Синхронизатор – устройство, обеспечивающее согласование узлов и элементов РЛС во времени. Состоит из высокостабильного опорного генератора (ОГ) и генератора пусковых импульсов (ГИ).Модулятор (М) передатчика (ПРД) генерирует импульсы, определяющие длительность и частоту повторения высокочастотных импульсов генератора высокой частоты (ГВЧ).Антенный переключатель (АП) во время излучения блокирует вход приемника (ПРМ), защищая его от мощного сигнала передатчика.Принятый антенной сигнал усиливается в усилителе высокой частоты (УВЧ) и поступает на вход смесителя (С). Смеситель переносит сигнал на промежуточную частоту, генерируемую гетеродином (Г.) Схема автоматической подстройки частоты (АПЧ) компенсирует недостаточную стабильность ГВЧ.Основное усиление сигнала производит усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Схемы автоматического регулирования усиления меняют коэффициент усиления УПЧ. Детектор (Д) выделяет огибающую импульсов и подает ее на усилитель видеосигнала (ВУ).С помощью системы обработки осуществляется запоминание и когерентное суммирование отраженных сигналов за время пролета носителем РСА участка траектории, равного искусственному раскрыву антенны (формирование синтезированной апертуры).Вспомогательные устройства (инерциально-допплеровские измерители скорости, прочее навигационное оборудование, устройства ввода априорной информации о целях, траектории полета и т.п.) обеспечивают согласование режима обработки сигналов в РСА с условиями полета носителя, характером целей, решаемой задачей.Обработка траекторных сигналов РСА представляет собой процесс согласованной линейной фильтрации, который в общем случае, описывается сверткой входного сигнала и опорной функции, содержащей фазовый множитель, комплексно сопряженный с фазовым множителем сигнала, отраженного от точечного отражателя.Операция цифровой согласованной фильтрации для каждого канала дальности реализуется в цифровом процессоре, в результате формируется выходной сигнал, соответствующий одной (вертикальной) строке РЛИ. Обработка сигнала в двумерном оптимальном фильтре, согласованном с откликом от точечной цели, осуществляется совместно по двум направлениям - вдоль наклонной и путевой дальности.Сжатие сигналов по дальности для получения высокого разрешения поперек направления движения осуществляется в каждом периоде зондирования, заключающееся в вычислении взаимной корреляционной функции принятого сигнала и опорной функции - функции зондирующего сигнала.Сжатие сигналов по азимуту для получения высокого разрешения вдоль направления движения осуществляется по классическому принципу оптимальной фильтрации, заключающемуся в вычислении взаимной корреляционной функции принятого сигнала и опорной функции, согласованной с откликом от точечной цели.Таким образом, процедура формирования РЛИ состоит из сжатия сигнала по дальности в каждом периоде зондирования и сжатия по азимуту (путевой дальности), а также вычисления модуля по синфазной и квадратурной составляющим выходного сигнала.Информация о координатах цели параллельно считывается оператором с экрана, преобразуется в цифровую системой кодирования (СК) автоматического выводного устройства дискретного действия для передачи на ЭВМ и выдается в виде напряжений, пропорциональных измеряемым параметрам автоматическим выходным устройством непрерывного действия.Составные части изделия размещаются в негерметичных зонах БПЛА и функционируют в широком диапазоне температур. Таким образом, никаких специальных требований к обеспечению тепловых режимов МБРЛС со стороны БПЛА не предъявляется. Требования по защите аппаратуры изделия от конденсированных осадков также не предъявляются.ЗаключениеВ даннойдипломной работе был произведен расчет бортовой радиолокационной системы с синтезированной апертурой по исходным данным для использования на БПЛА. Спроектирована функциональная и структурные и функциональные схемы радиолокационной станции, описан принцип ее работы, обоснованы, выбраны и рассчитаны тактико-технические параметры радиолокационной станции, произведен расчет энергетического баланса.Технические решения, положенные в основу разработки БРЛС, обеспечивают достижение заданных величин пространственного разрешения. На этапе проектирования и испытаний была проведена работа по расчету технических параметров проектируемой РЛС, определению разрешающей способности по азимуту с учетом всех вышеперечисленных факторов.Привести рассчитанные значения параметров, чтобы было видно соответствие ТЗ.Список литературыВасин В.В. и Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации. – М.: «Советское радио», 1977. – 320 с.Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. – М.: «Высшая школа», 1967. – 244 с.Радиолокационные устройства (теория и принципы построения)/В.В. Васин, О.В. Власов, В.В. Григорин-Рябов, П.И. Дудник, Б.М. Степанов. – М., «Советское радио», 1970. – 680 с.Авиационные правила. Часть 139. Сертификация аэродромов (АП-139). Том IIРадиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2005. - 368 с.: ил. (Сер. «Радиолокация»).Соколов И.А., Скичко Д.Ю., Бац А.В.: Разработка приемоответчика Х-диапазона. «Евразийский союз ученых (ЕСУ) М. № 4. 2014.Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы. Уч. пособие для вузов. /Под ред. Б.Г.Татарского, М.: Дрофа, 2007. – 283 с.П. Бакулев. Типовые расчеты характеристик радиолокационных и радионавигационных систем. Издательство: МАИ. – 1993Гульшин В.А, Садомовский А.С, Задачник по радиолокации – Ульяновск: Изд-во УлгТу, 2006. 60 с.Белавин, О.В. Основы радионавигации/О.В. Белавин. М.: Сов.радио, 1977. 320с.Чёрный, М.А. Воздушная навигация/М.А Чёрный, В.И. Кораблин. М.: Транспорт, 1991. 432 с Бондарчук, И.Е. Лётная эксплуатация радионавигационного оборудования самолётов/И.Е. Бондарчук. М.: Транспорт, 1998. 214с.