Моделирование полотна АФАР моноимпульсной БРЛС

2

КУРСОВАЯ РАБОТА

Моделирование полотна АФАР моноимпульсной БРЛС

Содержание

Введение

1. Характеристики и параметры моноимпульсной БРЛС и её антенной системы

2. Моделирование полотна АФАР

3. Анализ результатов моделирования

Заключение

Используемая литература

Введение

Данная работа направлена на моделирование полотна активной фазированной антенной решетки (АФАР) и оценки параметров её работы в составе бортовой радиолокационной станции.

Фазированные антенные решетки являются наиболее эффективными и перспективными антенными системами, которые позволяют осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональный режим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретной радиообстановке, предварительную обработку сверхвысокочастотных сигналов, обеспечение электромагнитной совместимости.

Применение АФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объёма информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве, что является весомым фактором при современном уровне развития авиационного РЭО.

Дальнейшее улучшение характеристик систем с АФАР можно обеспечить, совершенствуя методы обработки сигналов, излучаемых и принимаемых антенной. Антенные системы в скорм будущем должны решать задачи получения внекоординатной информации о цели, т.е. кроме дальности и угловых координат объекта обеспечивать получение информации о его массе, размерах, параметрах движения и осуществлять распознавание образов.

Таким образом характеристики антенны предопределяют ряд основных характеристик бортовых радиоэлектронных комплексов и систем, так как разрешающая способность и точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, помехозашищенность, сектор обзора и т.д. зависят от характеристик антенной системы.

Характеристики и параметры моноимпульсной БРЛС и её антенной системы

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами.

Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилось 30-х годах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новых средств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

Выдающийся вклад в развитие радиолокации внесли русские ученые и инженеры П.К. Ощепков, М.М. Лобанов, Ю.К. Коровин, Б.К. Шембель. В советском союзе первые успешные эксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационных устройств были проведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружение войск ПВО поступили первые серийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом в развитии радиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю.Б. Кобзарева импульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна из наиболее прогрессирующих областей радиотехники.

Получение информации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС), а наблюдаемые объекты - радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения.

Радиолокационные системы имеют следующие преимущества перед визуальными: работа РЛС не зависит от наличия оптической видимости и эффективна не только в дневные, но и в ночные часы, в тумане, при дожде и снегопаде. Они обеспечивают большую дальность действия и точность измерения координат цели.

Решающую роль при проектировании и эксплуатации бортовых авиационных РЛС имеют их технические характеристики, и характеристики их антенных систем.

Каждая бортовая РЛС военного назначения обладает двумя видами характеристик: тактическими и техническими.

Тактические характеристики бортовых РЛС представляют совокупность параметров, определяющих возможности их использования для решения поставленных перед самолетом задач. Эти характеристики задаются на этапе начала проектирования РЛС при всестороннем учете условий и особенностей решаемой задачи, требуемых вероятностей их выполнения, экономических, эксплуатационных и других факторов на основе методов системотехники.

Технические характеристики РЛС определяются теми инженерными решениями, которые принимаются при разработке РЛС в обеспечении тактических требований.

К тактическим характеристикам РЛС обзора земной поверхности относят:

1. Назначение и место установки РЛС: РЛС бомбометания, РЛС разведки, РЛС бокового обзора, РЛС обзора и облета препятствий, многофункциональные РЛС и т.д.

2. Зона обзора определяется как область земной поверхности, где требуется решение тактических задач с заданными характеристиками. Параметрами зоны обзора являются:

- дальность обзора, т.е. удаление зоны обзора от РСА;

- углы наблюдения, т.е. положение зоны обзора относительно вектора путевой скорости носителя РСА;

- полоса одновременного обзора по дальности;

- полоса обзора по азимуту;

- время обзора.

Максимальную дальность обнаружения Д_mах объектов с определенными ЭПО (удельными ЭПО) и заданными вероятностями правильного обнаружения. При обнаружении наземных объектов и боевой техники на входе РЛС действуют внутренние шумы приемника и отражения от фона местности. Для обнаружения целей с заданными характеристиками необходимо, чтобы отраженный от целей сигнал в заданное число раз превышал уровень фона местности, а фон местности должен превышать уровень внутреннего шума приемника.

Дальность обзора ударных авиационных комплексов обычно составляет 80...160 км

Угол наблюдения для разведывательных систем задается близкий к боковому, а для ударных - любой.

Время обзора зоны. Это время, в течение которого луч антенны РЛС производит однократный обзор заданной зоны. Наиболее жёсткие требования к времени обзора заданной зоны предъявляют РЛС обхода-облёта препятствий и РЛС ударных самолётов.

3. Разрешающая способность РЛС

Разрешающая способность РЛС определяет качество радиолокационного изображения при картографировании. Кроме того, разрешающая способность в значительной степени определяет эффективность решения задач обнаружения малоразмерных целей, распознавания групповых и сосредоточенных целей, а также определения их координат и сопровождения.

Количественной мерой разрешающей способности является ширина изображения точечной цели на определенном уровне, обычно на уровне - 3 дБ от максимума, что соответствует уровню 0,5 по интенсивности изображения. Для устранения влияния искажений формы изображения вследствие ограничения сигнала, уровень сигнала выбирается таким образом, чтобы изображение находилось в линейной части амплитудной характеристики выходного устройства (процессора, индикатора).

В качестве точечной цели обычно используются уголковые отражатели, расположенные на слабоотражающем фоне для исключения влияния фона и соседних объектов. Группа отдельно расположенных отражателей, имеющих ЭПР с различием 5 дБ друг от друга, позволяет использовать их изображение для оценки линейности тракта.

4. Точность измерения координат. Она задается допустимыми ошибками (погрешностями) оценки координат и параметров взаимного движения. Величина ошибок измерения определяется назначением РЛС. В РЛС бомбометания измеряются азимут цели и дальность до нее с очень высокой точностью. В РЛС бокового обзора, предназначенной для ведения воздушной разведки, точности измерения несколько ниже.

5. Помехозащищенность

Возможность работы РЛС в условиях радиоэлектронной борьбы характеризуется скрытностью работы и помехоустойчивостью. Скрытность работы РЛС задается максимальной дальностью, на которой противник может обнаружить сигналы РЛС и определить их параметры.

Помехоустойчивость определяет работоспособность РЛС в конкретной помеховой обстановке, которая задается в виде набора методов и средств РЭБ.

К тактическим характеристикам относят также надежность, массу, габариты, ремонтопригодность и т.п.

Технические характеристики бортовых РЛС определяются теми инженерными решениями, которые принимаются при разработке РЛС в обеспечении тактических требований.

Основными техническими характеристиками РЛС обзора земли являются:

- длина волны, длительность зондирующего сигнала и вид внутриимпульсной модуляции;

- период повторения импульсов, средняя (импульсная) мощность передатчика РЛС;

- метод обзора пространства и форма ДНА;

- коэффициент шума и полоса пропускания приемника, время когерентного и некогерентного накопления сигнала;

- объем памяти, разрядность АЦП и быстродействие системы цифровой обработки;

- методы измерения координат, алгоритмы помехозащиты и тип устройства отображения.

Технические решения, принимаемые в процессе проектирования РЛС, обеспечивают выполнение тактических требований. Поэтому между техническими и тактическими характеристиками существует тесная взаимосвязь.

Обоснование, выбор и расчет технических характеристик по заданной совокупности тактических требований - сложная научно-техническая задача в силу многозначности функциональных связей и влияния статистических факторов.

При обосновании и выборе технических параметров РЛС выявляются противоречия, разрешить которые возможно путем компромиссов или поиском принципиально новых технических решений.

В классической бортовой радиолокационной станции, выполненной на традиционной антенной системе с параболическим рефлектором, сигнал передатчика через переключатель прием-передача поступает на облучатель антенны. Зеркало антенны через систему приводов механически соединено с фюзеляжем или корпусом летательного аппарата. Для стабилизации положения оси антенны при колебаниях корпуса летательного аппарата на двигатели приводов подаются специальные сигналы с системы стабилизации антенны.

Сигналы обеспечивают разворот антенны в сторону, противоположную колебаниям фюзеляжа, удерживая луч антенны неподвижно по отношению к направлению на цель.

Для создания диаграммы направленности определенной ширины зеркало антенны необходимо изготавливать с высокой точностью.

Кроме того, зеркало должно иметь достаточно высокую механическую прочность, чтобы сохранять постоянство формы поверхности при движении антенны и перегрузках во время маневра летательного аппарата.

Поворот оси диаграммы направленности в классической бортовой РЛС осуществляется механическим поворотом всего зеркала антенны.

Инженерный облик бортовой РЛС коренным образом меняется, если в качестве антенны использовать плоскую активную фазированную решетку (АФАР).В этом случае большая часть устройств, входящих в состав РЛС, размещается с одной стороны такой АФАР

Для формирования синфазного поля в раскрыве АФАР необходимо синфазно управлять отдельными усилителями, каждый из которых работает на свой излучатель. Такую возможность обеспечивает схема разводки, которую можно размещать как на обратной, так и на передней стороне АФАР. Поворот диаграммы направленности на определенный угол, а также стабилизация луча в пространстве производится не путем поворота всей антенны, а изменением фазового распределения в раскрыве АФАР с помощью фазовращателей.

Целью данной работы является моделирование полотна АФАР моноимпульсной бортовой РЛС.

6. Моделирование полотна АФАР

1.Условия поставленной задачи.

Задачей работы является моделирование полотна АФАР авиационной бортовой РЛС со следующими параметрами:

- Длина волны БРЛС: …….………..л=3 см.

- Диаметр антенны:…………………D=70 см.

- Расстояние между излучателями:..d=0,6л

- Тип излучателя: открытый конец круглого волновода.

2.Расчет множителя АФАР

Из условия задачи, максимальное количество излучателей по горизонтальной (М) и вертикальной (N) осям АФАР равно:

M=21

N=21

Множитель АФАР в горизонтальной плоскости представляется в виде:

График множителя АФАР в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 1 (а,б):

Рисунок 1 а

Рисунок 1 б

Множитель АФАР в вертикальной плоскости представляется в виде:

График множителя АФАР в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 2(а,б):

Рисунок 2 а

Рисунок 2,б

3.Расчет амплитудного распределения АФАР

Амплитудное распределение по раскрыву решетки - равномерное, и представлено в виде:

-в горизонтальной плоскости:

График амплитудного распределения в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 3:

Рисунок 3

в вертикальной плоскости:

График амплитудного распределения в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 4:

Рисунок 4

Общее амплитудное распределение антенны представлено на рисунке 5:

Рисунок 5

Размещение излучателей в плоскости АФАР представлено на рисунке 6

Рисунок 6

4.Рассчет диаграммы направленности АФАР.

Диаграмма направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости представлена в виде:

-в горизонтальной плоскости:

График диаграммы направленности в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 7

Рисунок 7

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 1

Таблица 1

-в вертикальной плоскости:

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 2

Таблица 2

Общая диаграмма направленности АФАР представляется в виде:

График общей диаграммы направленности АФАР представлен на рисунке 9:

рисунок 9

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 3

Таблица 3

Анализ результатов моделирования

В результате моделирования получена математическая модель АФАР бортовой РЛС.

Необходимо проанализировать её параметры при сканировании пространства.

1.При И=0 диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 9

При И=30 градусов диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 10

Рисунок 10

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 4

Таблица 4

При И=45 градусов диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 11

Рисунок 11

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 5

Таблица 5

При И=90 градусов диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 12

Рисунок 12

Параметры диаграммы направленности представлены в таблице 6

Таблица 6

Видно что при больших углах отклонения главного лепестка диаграммы направленности АФАР наблюдается расширение главного лепестка диаграммы направленности АФАР и выброс интерференционных максимумов излучения и следовательно присутствует неоднозначность при определении параметров цели, но эти недостатки необходимо компенсировать путем цифровой обработки принимаемой информации о цели.

Заключение

В процессе выполнения работы по моделированию АФАР авиационной бортовой РЛС видно, что АФАР является более эффективной антенной системой, по сравнению с зеркальной антенной, позволяющей осуществлять быстрый обзор пространства, путем электронного сканирования, разрешение АФАР по угловым координатам превышает аналогичные зеркальные антенны. При этом существенно уменьшается масса и габаритные размеры бортовой РЛС, повышается надежность работы РЛС по причине отсутствия большого количества механических деталей и механизмов.

В заключение можно сказать, что бортовые РЛС с АФАР намного превосходят аналогичные РЛС с зеркальными антеннами с механическим сканированием пространства. РЛС с АФАР на один-два порядка меньше объема РЛС с зеркальной антенной. В конструкции АФАР можно размещать очень большое число маломощных генераторов. В результате при больших значениях суммарной излучаемой мощности существенно снижается вероятность пробоя воздуха, и так же снижается потребление энергии РЛС, что не маловажно в условиях ограниченности энергоресурсов летательного аппарата.

Используемая литература

1. Д.И. Воскресенский Проектирование фазированных антенных решеток.

2. И.Н. Корбанский Антенны.

3. М.А. Еськин Курсовое и дипломное пректирование по профилю факультета авиационного радиоэлектронного оборудования.

4. В.А. Конуркин Оформление текстовых документов.