Курсовая работа - проектирование РЛС обнаружения
Подождите немного. Документ загружается.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ)
Факультет ФРТ
Кафедра РС
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: Радиотехнические системы
На тему: Проектирование РЛС обнаружения
(Вариант № 17)
Выполнил Оценка __________________
студент гр. Проверил
Дата ____________________
Санкт-Петербург
2010 г.
Содержание
1. Техническое задание . . . . . . . . .3
2. Предварительный выбор длины волны . . . . . . .4
3. Параметры антенной системы . . . . . . . .4
4. Параметры обзора . . . . . . . . .4
5. Минимально необходимое (пороговое) отношение сигнал/шум . . .5
6. Шумовая температура и коэффициент шума приемника . . . .5
7. Потери энергии радиоволн при распространении в атмосфере . . .6
8. Потери энергии в высокочастотных узлах РЛС (антенно-фидерном тракте) .6
9. Потери за счет неоптимальности обработки в цепях РЛС . . . .7
10. Параметры зондирующего сигнала . . . . . . .8
11. Погрешности измерения дальности и азимута . . . . .11
12. Основные сечения АКФ сигнала . . . . . . .12
13. Функциональная схема станции . . . . . . .13
2
1.Техническое задание
Выбрать и рассчитать основные характеристики РЛС кругового обзора, которая должна
обеспечивать обнаружение воздушных целей с ЭПР σ
э
в условиях дождя с
интенсивностью S на расстоянии D
max
при минимальной дальности D
min
с вероятностью
правильного обнаружения Р
обн
и вероятностью ложной тревоги Р
лт
. Дальность до цели
определяется со среднеквадратической ошибкой σ
D
, а азимут – σ
α
. Разрешающая
способность по дальности ΔD
min
, по азимуту Δα
min
.
Составить функциональную схему станции. Рассчитать основные сечения
автокорреляционной функции сигнала.
№
вар.
σ
э
, м
2
S, мм/час
D
max
,
км
D
min
,
км
Р
обн
Lg
Р
лтo
σ
D
, км
σ
α
,
град
ΔD
min
,
км
Δα
min
,
град
17 200 1 300 0.5 0.96 -5 0.08 0.75 1.1 2.0
3
2. Предварительный выбор длины волны
Т.к. макс. дальность действия РЛС – 300 км, то выберем длину волны 12 см.
λ = 12 см. (f = 2.5 ГГц)
3. Параметры антенной системы
Ширина ДН антенны в горизонтальной плоскости:
=Δ≈
min5.0
α
α
2º = 0.0349 рад
Ширина ДН антенны по углу места:
5.0
β
= 15º = 0.2618 рад
Размер раскрыва антенны в плоскости угла места:
λ
β
⋅= 6d = 6·0.12 = 0.72 м
Размер раскрыва антенны в плоскости угла азимута:
=
⋅
=
0
5.0
65
α
λ
α
d
2
12.065⋅
= 3.9 м
КНД антенны:
=
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
2618.0 0.0349
44
5.05.0
π
βα
π
G
1375.1
Коэффициент использования площади раскрыва антенны:
=
⋅⋅
⋅
=
⋅⋅
⋅
=
72.09.34
12.01375.1
4
22
ππ
λ
ρ
βα
dd
G
A
0.561 є (0.5…0.9)
Геометрическая площадь раскрыва антенны:
βα
ddS
A
⋅= = 3.9·0.72 = 2.808 м
2
Эффективная площадь раскрыва антенны:
AAэф
SS ⋅=
ρ
= 0.561·2.808 = 1.576 м
2
4. Параметры обзора
Время обзора: Т
обз
= 9 с
Скорость вращения ДН РЛС
: Ω
А
= 2π / Т
обз
= 2π /9 = 0.698 рад/с
Период повторения импульсов в пачке:
Т
п
= =
⋅
⋅
⋅
=
⋅
8
max
103
10003002
25.1
c
D2
1.25 2.5 мс
Частота повторения импульсов в пачке:
F
п
= 1 / Т
п
= 1 / 2.5·10
-3
= 400 Гц
Время облучения цели за один обзор:
Т
обл
= α
0.5
/ Ω
А
= 0.0349 / 0.698 = 0.05 с
Число импульсов в пачке:
N = Т
обл
· F
п
= 0.05·400 = 20
4
5. Определение минимально необходимого (порогового) отношения сигнал/шум
Число разрешаемых элементов пространства:
minmin
minmax
α
α
Δ
Θ
Δ
−
=
D
DD
K
= =
−
2
360
1.1
5.0300
49009
Вероятность ложной тревоги в одном элементе разрешения:
Р
лт
= Р
лтo
/ К = 10
-5
/ 49009 = 2.04·10
-10
Пороговое отношение с/ш
определим для сигналов со случайной начальной фазой и
«дружно» флюктуирующей по закону Релея амплитудой (релеевских целей):
17.10911
96.0lg
102.04lg
21
lg
lg
2
10
2
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⋅
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
−
по
лт
мин
P
P
q
6. Шумовая температура и коэффициент шума системы
Коэффициент шума системы на начальных этапах проектирования принимают равным
коэффициенту шума приемника, который в свою очередь примерно равен к-ту шума
входного каскада приемника.
Для нашей РЛС выберем усилитель на туннельном диоде
.
По графику из МУ(кривая 5) определим коэффициент шума входной цепи приемника:
При f = 2.5 ГГц → К
ш
= 4.2 дБ
К
ш
(разы) = 63.21010
10
2.4
10
)(
==
дБК
ш
Шумовая температура системы: Т
ш
= К
ш
Т
0
= 2.63·290 = 762.78 ºК
Т
0
= 290 К – стандартная шумовая температура
5
7. Потери энергии радиоволн при распространении в атмосфере
При слабом дожде (S = 1 мм/ч) верхняя кромка дождевых туч лежит на высоте Н
д
= 7 км.
Участок траектории, на котором происходят потери из-за дождя:
дЗд
HRD ⋅⋅= 2=
63.298763702 =⋅⋅
км
D
2
= min{D
max
, D
д
} = D
max
= 300 км, D
1
= D
max
Удельные потери δ
2
(Т = 18 ºС) из-за дождя (S = 1 мм/час) → 0 из графика (λ = 12 см):
Удельные потери δ
1
(Т = 18 ºС) из-за кислорода и водяного пара → 0 (λ > 10 см)
Коэффициент потерь при распространении радиоволн в атмосфере:
L
p
= 2(D
1
δ
1
+ D
2
δ
2
) = 2(0 + 0) = 0 дБ
8. Потери энергии в высокочастотных узлах РЛС (антенно-фидерном тракте)
Удельные потери: δ
ф
= 0.03 дБ/м (при λ = 8 - 12 см )
Длина фидеров: l
ф
= 7 м
Потери в антенне: L
A
= 0.12 дБ
Потери в разрядниках антенного переключателя: L
разр
= 1.5 дБ
Потери в фидерах: L
ф
= 2δ
ф
l
ф
= 2·0.03·7 = 0.42 дБ
Суммарные потери в в/ч узлах РЛС:
L
аф
= L
A
+ L
разр
+ L
ф
= 0.12 + 1.5 + 0.42 = 2.04 дБ
6
9. Потери за счет неоптимальности обработки в цепях РЛС
Зададимся значениями:
V
макс
= 1000 м/с – максимальная скорость воздушных целей
К
ф
= 1 – коэффициент, зависящий от формы огибающей и структуры зондирующего
сигнала, на первом этапе проектирования он равен 1
4
0
105.0
−
⋅=
ГВЧ
ГВЧ
f
f
δ
– относительная нестабильность частоты ГВЧ
С
А
= 1.6 дБ – к-т потерь, зависящий от числа импульсов и режима сканирования
К
АПЧ
= 15 – коэффициент стабилизации системы АПЧ
С
Δf
= 1.5 дБ – потери за счет несогласованности ширины спектра сигнала и полосы
пропускания УПЧ (на первом этапе выбирается равным 1.5 дБ)
С
нст
= 1.5 дБ – к-т потерь из-за дрейфа к-та усиления приемника и порогового уровня
Следующие величины найдем из графиков, приведенных в МУ:
С
нак
= 0.7 дБ – потери в аналоговом накопителе импульсов (N = 20)
C
N
= 2.8 дБ – потери в детекторе с квадратичной АХ для пачки с прямоугольной
огибающей и «дружно» флюктуирующими с распределением Релея амплитудами
импульсов (N = 20)
7
Полоса пропускания УПЧ:
=
⋅
⋅
⋅+
⋅
+
⋅
⋅⋅
=
⋅
+
⋅
+
Δ⋅
⋅
=Δ
−
1512.0
103
105.0
12.0
10004
11002
11034
2
8
4
8
0min АПЧГВЧ
ГВЧ
макс
ф
УПЧ
К
с
f
fV
D
Кс
f
λ
δ
λ
178.03 кГц
Суммарные потери за счет неоптимальности обработки
:
С
обр
= С
А
+ С
Δf
+ C
N
+ С
нак
+ С
нст
= 1.6 + 1.5 + 2.8 + 0.7 + 1.5 = 8.1 дБ
Чувствительность приемника:
Р
с.min
= = 10 ·1.38 ·10
-23
·2.63 ·290 ·178.03 ·10
3
= 1.874 ·10
-14
Вт
эфпрш
fТKkq Δ⋅⋅⋅⋅
0.
2
0
k = 1.38 ·10
-23
Дж/К – постоянная Больцмана
2
0
q
=10 дБ (или 10 раз) – стандартное отношение мощности сигнала к мощности шума на
выходе приемника
Т
0
= 290 К – стандартная шумовая температура
эф
fΔ = = 269.84 кГц – эффективная шумовая полоса УПЧ приемника
УПЧ
fΔ
К
ш.пр
= 2.63 раз (4.2 дБ) – коэффициент шума приемника
10. Параметры зондирующего сигнала.
Р
и.доп
= 4 МВт – допустимая мощность передатчика, которая может передаваться по
волноводу при нормальном атмосферном давлении (при λ = 12 см)
Энергия зондирующего сигнала:
()
=
⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
=
20012.01.1375202
1091.176.4576.1129063.210 1.383000004
22
-234
3
π
8.753 Дж
К
шс
(разы) = К
ш.пр
(разы) = 63.21010
10
2.4
10
)(
==
дБК
шс
, L
p
(разы) = 11010
10
0
10
)(
==
дБL
p
L
аф
(разы) =
6.11010
10
04.2
10
)(
==
дБL
аф
, С
обр
(разы) =
457.61010
10
1.8
10
)(
==
дБС
обр
σ
э
= 200 м
2
– ЭПР цели
8
Энергетически необходимая длительность сигнала (не зависит от вида сигнала):
188.2
104
753.8
6
.
=
⋅
=≥
допи
и
и
Р
Е
τ
мкс
Необходимая длительность сигнала, обеспечивающая минимальную дальность РЛС (не
зависит от вида сигнала):
333.210
103
50022
6
8
min
=−
⋅
⋅
=−
⋅
≤
−
ви
c
D
ττ
мкс
в
τ
= 1 мкс – время восстановления разрядников антенного переключателя.
Т.к. минимальная дальность меньше разрешающей способности по дальности, то выберем
в качестве зондирующих импульсов простые сигналы
, а именно: колокольный
радиоимпульс
Необходимая длительность сигнала, обеспечивающая заданную разрешающую
способность по дальности (зависит от вида сигнала):
901.3
88.1103
110022
8
min
=
⋅⋅
⋅
=
⋅
Δ⋅
≤
ф
и
Кc
D
τ
мкс (К
ф
= 1.88 для колокольного р/и)
Пусть τ
и
= 2.25 мкс (τ
и
є 1.895…2.333 мкс), тогда
Импульсная мощность передатчика: Р
и
= Е
и
/τ
и
=8.753 / = 3.89 МВт < Р
и.доп
=4 МВт
Реальная мин. дальность:
6
1025.2
−
⋅
()
(
1010
6
+⋅
−−
)
5.48725.2
2
103
2
6
8
.min
=
⋅
=+=
виp
c
D
ττ
м < D
min
= 500 м
Реальная разр. способность:
6
8
min
1025.288.1
2
103
2
−
⋅⋅
⋅
=⋅=Δ
иф
К
c
D
τ
= 634.5 м < ΔD
min
=1100 м
Т.к. мы выбрали вид и длительность зондирующего сигнала, то пересчитаем коэффициент
потерь С
Δf
:
Форма импульса – колокольная, а в качестве УПЧ приемника выберем
Гауссов полосовой фильтр
При этом коэффициент формы будет равен: m = 0.44
9
Оптимальная ширина полосы пропускания: Δf
опт
= m / τ
и
= 0.44 / = 195.556 кГц
6
1025.2
−
⋅
Новое значение полосы пропускания УПЧ (при К
ф
= 1.88):
=
⋅
⋅
⋅+
⋅
+
⋅
⋅⋅
=
⋅
+
⋅
+
Δ⋅
⋅
=
′
Δ
−
1512.0
103
105.0
12.0
10004
11002
88.1103
4
2
8
4
8
0min АПЧГВЧ
ГВЧ
макс
ф
УПЧ
К
с
f
f
V
D
Кс
f
λ
δ
λ
298.03 кГц
Коэффициент рассогласования:
671.0
556.195
298.0344.0
=
⋅
=
Δ
′
Δ
⋅
опт
УПЧ
f
fm
По графику из МУ (кривая 3) находим новое значение: С
Δf
≈ 0.5 дБ
Новое значение суммарного коэффициента за счет неоптимальности обработки:
С
обр
= С
А
+ С
Δf
+ C
N
+ С
нак
+ С
нст
= 1.6 + 0.5 + 2.8 + 0.7 + 1.5 = 7.1 дБ
С
обр
(разы) = 129.51010
10
1.7
10
)(
==
дБС
обр
и
Е
′
()
=
⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
=
20012.01.1375202
1091.175.1296.1129063.210 1.383000004
22
-234
3
π
6.953 Дж
Чтобы длительность зондирующего импульса осталась прежней, при новом к-те С
обр
,
изменим импульсную мощность сигнала:
3.09
1025.2
953.6
6
=
⋅
=
′
=
′
−
и
и
Е
Р
τ
МВт < Р
и.доп
= 4 МВт
Коэффициент скважности (пик-фактор) зондирующего сигнала:
11.1111
1025.2
105.2
6
3
=
⋅
⋅
==
−
−
и
п
T
Q
τ
Средняя мощность передатчика:
2781.15
105.2
953.6
3
=
⋅
==
−
п
и
ср
Т
Е
Р
Вт
Таким образом, на длине волны λ = 0.12 см получается приемлемый запас по мощности
(22.7 %), по дальности (2.5 %) и по разрешающей способности по дальности (42.3 %).
10