ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РЯЗАНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРАРАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине:
«Теоретические основырадиоэлектронной борьбы»
на тему:
«СРЕДСТВА ПОСТАНОВКИ ПОМЕХ И ПОМЕХОЗАЩИТЫ»
СтудентБелокуров Евгений Викторович
Рязань 2007 г.
Содержание
Введение
1. Анализ задачи и её формализация
2. Расчет параметровпомехопостановщика (мощность передатчика помех, средств создания помех,параметров помех)
3. Расчет зон прикрытия помехами(пассивными и активными)
4. Расчет параметров средствпомехозащиты (алгоритма помехозащиты, структуры и параметров)
5. Анализ эффективности применениякомплекса помех и средств помехозащиты
6. Оценка требований каппаратно-программным ресурсам средств конфликтующих сторон
7. Выбор и технико-экономическоеобоснование технологической базы для реализации проекта
8. Составление структурной схемыустройства и описание её работы
Заключение
Список использованных источников
Графические материалы
Введение
Радиолокационные станции(РЛС) управления воздушным движением (УВД) используются для управлениядвижением самолетов в воздухе в районе аэродрома и на земле после посадки.Такие станции позволяют обнаруживать прибывающие самолеты, осуществлять ихиндивидуальное опознавание, направлять самолеты в зоны ожидания иконтролировать движение в этих зонах, последовательно выводить самолеты напосадочный курс и наблюдать за выполнением посадки, следить за передвижениемсамолетов и автотранспорта по летному полю.
Основные тактическиетребования к РЛС формулируются с учетом специфики движения самолетов в районеаэродрома. Считается, что дальность действия РЛС наблюдения за воздушнойобстановкой в районе аэродрома должна быть 200—250 км. Такая дальностьобеспечивает возможность получения необходимой информации об обнаруженномсамолете за время его приближения к аэродрому. Одновременно подобная дальностьпозволяет организовать зону ожидания достаточно большого числа самолетов.
Данная курсовая работапоможет подробнее рассмотреть возможности РЛС в мирное время, что последнеевремя становится всё актуальнее, при участившихся случаях террористическихактов.
1. Анализ задачи и еёформализация
В данной курсовой работепредлагается произвести эскизный расчёт РЛС, в соответствии с параметрами этойрадиолокационной станции разработать алгоритмы работы и структурные схемыпостановщика помех и устройств защиты для этой РЛС.
В соответствии с ТЗ,дальнейшие рассуждения проводятся для трехкоординатной РЛС управлениявоздушного движения. Дальность обнаружения цели выбирается не менее 230 км (Rmax= 300 км). ЭПР цели (E= 6.4 м2). Предлагаемый ТЗтип помех: пассивная, активная шумовая.
Первый тип помехотносится к естественным помехам и возникает из-за наличия у антенной системыРЛС боковых лепестков в угломестной плоскости. Главный луч при этомнепосредственно земли не касается, так как для РЛС управления воздушногодвижения(УВД) характерна слегка приподнятая ДН. Также к данному виду помехиотносятся так называемые «местные предметы», которые возникают из-за большихуглов закрытия на местности вокруг точки стояния РЛС, при этом помеха приходити по главному лучу. Для данной помехи характерно нулевое доплеровское смещениечастоты, следовательно, для борьбы с ней лучше всего использовать режекторныйфильтр.
Борьба с пассивнымипомехами требует, прежде всего, ослабления мощности мешающих отражений,принимаемых антенной радиолокатора, и сужения динамического диапазона помех дляпредупреждения перегрузки приёмного тракта, что наиболее часто встречается всистемах УВД.
Второй тип помехотносится к преднамеренным. Активная помеха представляет собой электромагнитныеколебания, которые создаются каким-либо источником в диапазоне частот РЛС. Шумовыепомехи – помехи основанные на использовании шума. Возможны два вида таких помех.При модуляции шумом несущего колебания по какому-либо параметру формируются АМ — или ЧМ — шумовые помехи или их комбинация. Шумовые помехи маскируют илиподавляют полезные сигналы, а также изменяют уровень ложных тревог врадиолокационных приёмниках. Они обычно являются заградительными. Принепосредственном излучении шума генерируется прямошумовая помеха, которая взависимости от ширины спектра может быть как прицельной, так и заградительной.
Эскизный расчёт РЛС.
Для РЛС дальнегообнаружения характерен импульсный режим работы. Рассчитаем период повторениязондирующих импульсов исходя из заданной однозначно измеряемой дальности Rmax= 300 км:
/>
Для данного видарадиолокационных станций характерен метровый диапазон рабочих частот от 1 до 10метров. В соответствии с атмосферными окнами прозрачности и допустимымиразмерами раскрыва антенной системы приемлема несущая частота />. Реализуемая ширина ДН вазимутальной плоскости на этих частотах составляет от 2.5 до 4 градусов.Достаточная ширина ДН />. Рассчитаем раскрывантенны необходимый для формирования заданной ширины ДН:
/>,
где /> — коэффициент, учитывающийвеличину амплитудных искажений.
Для определениярадиолокационной станцией угла места необходимо обеспечить качание луча вугломестной плоскости (последовательный режим обзора). Зададимся такой жешириной ДН что и в азимутальной плоскости, соответственно таким же будет иэквивалентный раскрыв антенны в этой плоскости. Конструктивно антенную системуможно выполнить в виде двух ФАР, одна из которых, синфазная, будет обеспечиватьузкую ДН в азимутальной плоскости, а другая, наклонного излучения, качание лучав угломестной плоскости. Вся же АС будет вращаться в азимутальной плоскости,обеспечивая последовательный обзор в секторе от 0 до 360 градусов. Скоростьвращения антенны выберем стандартной для данного типа РЛС: />
Рассчитаем коэффициентусиления АС:
/>
Круговая частота вращенияантенны:
/>
Ширина ДН в радианах:
/>
Рассчитаем длительностьпачки отражённого от цели сигнала, т.е. время в течении которого цельнаходиться в главном луче ДН АС:
/>
Количество импульсов впачке:
/>
Зададимся разрешением подальности /> и рассчитаем длительностьимпульса зондирующего сигнала:
/>
Эффективная ширинаспектра сигнала:
/>
Рассчитаем пороговоеотношение сигнал/шум:
/>
Рассчитаем мощность шума:
/>,
где /> — постоянная Больцмана, Кш-коэффициентшума приёмного устройства. Минимальная мощность сигнала необходимая для егообнаружения:
/>.
Рассчитаем среднююмощность РЛС, исходя из обеспечения необходимой энергетической дальности,применив основное уравнение радиолокации:
/>
Импульсная мощность РЛС:
/>, где Q-скважность зондирующего сигнала:
/>
Полученные энергетическиехарактеристики излучения соответствуют реально допустимым и реализуемым напрактике.
2. Расчёт параметровпомехопостановщика (мощность передатчика
помех, средств созданияпомех, параметров помех)
Опираясь на полученныевыше основные характеристики РЛС, можно перейти к расчету параметровпомехопостановщика. Общая задача постановки активных помех – сокрытие объектовили факта передачи радиосигнала в некоторой прикрываемой области пространства.В нашем случае, так как это не оговорено, может предполагаться действиеактивных помех любых видов.
В общем случае цель ипостановщик активных помех могут находиться как в одной точке (самоприкрытиеобъекта), так и в различных точках пространства. В ситуации самоприкрытияэффективность помехи тем выше, чем больше расстояние от радиолокатора до цели ипадает по мере сближения с РЛС.
радиолокационныйпомехопостановщик защита
/>
Рис.1
При удалении цели нарасстояние больше чем Rцmin отношение с/ап уменьшается и недостаточно для обнаружения цели. При приближении цели меньше чем на Rцmin от РЛС, с/ап возрастает что создает условия дляобнаружения цели. Важным фактором здесь является соотношение мощностипередатчика РЛС и постановщика АП.
Дальность местонахожденияпостановщика активных помех должна выбираться из условия превышения на 20-50%дальности максимального обнаружения РЛС. В то время как мощность передатчикаактивных помех должна составлять не больше 1-10% от мощности передатчика РЛС.
Расстояние постановщикаАП до РЛС примем Rпап = 500 км;мощность передатчика активных помех P = 20кВт. Учитывая свойства антенн метровых волн, большой коэффициентусиления постановщика получить нельзя, следовательно зададимся значением Gпап = 10. Необходимо также учесть,что постановщик может работать как по главному лучу, так и по боковым лепесткамДН АС (рис 1).
В качестве пассивныхпомех могут применяться полуволновые вибраторы или диполи разбрасываемые ватмосфере, а так же широкодиапазонные металлизированные ленты, создающиеотражение в более широком спектре частот.
Для расчета действияпассивной помехи зададимся КНД АС в направлении боковых лепестков GПП=G·K= 60.82;Пассивную помеху будем ставить на расстоянии 250 км. Отношение ш/п должно бытьпримерно -60дб, следовательно /> ,найдём необходимую площадь создания помехи:
/>
/>
Определим количестводиполей в пачке. Для 1 диполя
Sд.мах=0.17.λ2=0.17.1.52=0,38
Общее количество диполей:N=Sпп/Sд.мах=245.1/0.38=645 штук.
3. Расчёт зон прикрытияпомехами (пассивными и активными)
Передатчик помех несёт насебе воздушное судно, это может быть самолет ДРЛО, самолет радиолокационнойразведки и т.д.
Рассчитаем зоны прикрытияот расстояния от РЛС до постановщика активных помех. При этом стоит учитывать, как было сказано ранее, что помеха может приходить как по боковым лепесткам,так и по главному лучу ДН РЛС.
Допустим что ПАПнаходиться на расстоянии 500 км, с заданной мощностью=20кВт(что было рассчитаноранее). Из графика хорошо видно, что при действии активной помехи по боковымлепесткам ДН антенны РЛС, она будет уменьшать дальность действия РЛС.
/>
Рис. 2 График зависимостидальности действия РЛС от расстояния РЛС-ПАП, при действии ПАП по боковымлепесткам ДН РЛС.
/>
Рис. 3 График зависимостидальности действия РЛС от расстояния РЛС-ПП, при действии ПП по боковымлепесткам ДН РЛС
По графикам видно, чтоприменение АШП значительно снижает дальность обнаружения РЛС.
4. Расчёт параметровсредств помехозащиты (алгоритма
помехозащиты, структуры ипараметров)
Активные помехи, принятыеантеннами РЛС, смешиваются на входе приемника с полезным сигналом и шумом,образуя входную реализацию. Основные особенности взаимодействий АП и полезныхсигналов – полное или частичное их совпадение во времени, перекрытие по частотеи различие в направлении прихода радиоволн. При совместной обработке полезныхсигналов и помех необходимо учитывать, что и сигнал и помеха являютсяодновременно функцией времени, частоты, начальных фаз и амплитуд, а такженаправлений прихода сигналов и параметров поляризации волны, т. е. являютсяпространственно-временными сигналами. Обычно алгоритм обработки сигналовактивных помех разделяют на пространственный и временной алгоритмы. Сначалапроизводится обработка сигнала в пространстве с помощью пространственногофильтра, осуществляемого соответствующим построением антенной системы, затемсигнал подвергается обработке во временной области.
Оптимальнаяпространственная обработка сводится к умножению на комплексный коэффициентпередачи сигнала с каждого элемента раскрыва антенны. Для этого необходимораздельно управлять амплитудой и фазой сигнала в каждой точке раскрыва антенны,чего можно достичь только в ФАР. Положительными свойствами ФАР являютсявозможность электрического сканирования луча, возможность формированиянескольких лучей, быстрое перемещение луча ДН, но использование ФАР требуетсущественного усложнения антенной системы за счет введения дополнительныхэлементов. Одним из наиболее эффективных алгоритмов пространственногоподавления помех является использовании адаптивных ФАР (в канале обработкекаждого элемента ФАР необходим весовой усилитель или аттенюатор и фазовращательдля настройки на заданное направление приема сигнала). В качестве устройствапомехозащиты выберем устройство подавления с деформацией ДН антенны которое всвою очередь позволяет сформировать минимум диаграммы направленности внаправлении на источник помех и требует дополнительной антенны (рис. 4).
/>
Рис. 4- Структурная схемаустройства формирования провала ДН антенны.
f0(Q), f1(Q)-исходные ДН основной и компенсационной антенн.
fΣ(Q)= f0(Q)+Wf1(Q)- результирующая ДН антенной системы.
Если Q1 –угол прихода помехи, то для компенсации необходимо выполнение условия fΣ(Q1)=0, откуда
W= — f0(Q1) /f1(Q1).
Подставив W в выражениедля fΣ(Q), получим
fΣ(Q)= f0(Q)-[f0(Q1) /f1(Q1)]f1(Q) [1, стр. 200].
Таким образом, внаправлении на источник помехи образуется провал в ДНА. При действии несколькихпомех с ряда направлений необходимо применение большого количествакомпенсирующих антенн, чтобы антенна А0и одна из других антенн Аi образовали компенсирующее устройствоактивной помехи с i-ого направления.Структурная схема устройства пространственной обработки для подавлениянескольких пространственных помех приведена на рисунке 5.
/>
Рис. 5 Схема пространственной обработки дляподавления нескольких (N)помех.
В качестве временногоалгоритма применяем устройство компенсации помех с корреляционными обратнымисвязями. Основная антенна принимает помеху, в то время как дополнительная(компенсационная) антенна принимает помеху от того же источника, ноотличающуюся по фазе. Используя сигналы этих каналов, можно сформироватькомпенсатор с корреляционными обратными связями, в котором будеткомпенсироваться помеха. Такое устройство обеспечивает минимум среднегоквадрата напряжения (мощности) помехи на выходе фильтра (рис. 6).
Для подавления пассивныхпомех, действующих на нашу РЛС ( в роли которых могут выступать дипольныеотражатели) будем применять режекторный фильтр, а именно линейный режекторныйфильтр с симметричными весовыми коэффициентами, который реализуем при помощипакета “Стрела 2.0”.
Режекторный фильтр долженподавлять помеху до уровня шумов, следовательно коэффициент подавления помехидолжен составлять около -60 дБ.
/>
Рис. 6 Структурная схема компенсатораактивной помехи с корреляционными обратными связями.
На рис 7 представленодиалоговое окно программы в котором зададим вид фильтра – СС (КИХ) фильтр-ЧПК,относительную частоту среза 0,1. Порядок фильтра задаем из соображения, чтобычисло импульсов в пачке было не меньше чем порядок фильтра +1. Отношениес/(ш+п):
/>/>-58.39 дБ
На рис 7 представленодиалоговое окно программы в котором задаем относительную ширину спектра сигналаравной 0,2; вид помехи – с гауссовской формой спектра, относительную ширинуспектра флуктуации помехи, как было указано выше, равной 0,1; относительнуюфазу помехи равной 0. Энергетические соотношения будем задавать на основеполученных ранее, а именно:
отношение сигнал/(помеха+шум)= -58,39 дБ;
отношение шум/помеха = -60дБ;
количество импульсов впачке равное 42
/>
Рис. 7
Коэффициент подавленияпомехи получается равным 57,25 дБ, что приемлемо, учитывая последующеенакопление. Симметричность же коэффициентов относительно центрального будетгарантировать линейность фазовой частотной характеристики фильтра.
Структурная схемацифрового режекторного фильтра, в упрощенной форме, имеет следующий вид:
/>
Рис. 8
Чтобы упроститьаппаратную реализацию устройства сократим количество умножителей основываясь насимметричности коэффициентов фильтра.
Для того чтобы фильтрнормально работал необходимо, чтобы на его вход поступало не менее N отсчетов, (где N порядок режекторного фильтра).Посредством остальных 11-6=5 отсчетов можно произвести когерентное накопление.
5. Анализ эффективностиприменения комплекса помех и средств
помехозащиты
Мерой эффективностирежекторного фильтра служит достигнутый, коэффициент подавления. В нашем случаеон равен 57.25 дБ, т.е. сигнал помехи фильтр подавляет до уровня шумов. Такимобразом, помеха практически полностью исключается из дальнейшей обработки.
Также критериемэффективности служит коэффициент улучшения отношения с/п, в спроектированномфильтре он составляет 39.59 дБ, что означает превышение отношения с/п на выходенад с/п на входе на значительную величину.
6. Оценка требований кпрограммно-аппаратным ресурсам средств
конфликтующих сторон
Обработка РЛИ врассматриваемой РЛС, как и обработка развединформации в устройстве постановкипомех, должна осуществляться в режиме реального времени, это предполагаетпредъявление соответствующих требований к быстродействию устройствосуществляющих эту обработку.
Цифровые режекторныегребенчатые фильтры (ЦРГФ) подавления помех требуют предварительногопреобразования сигналов в цифровую форму с помощью АЦП. В таких устройствахпроизводиться дискретизация по времени, с дискретом />.Быстродействие АЦП определяется затратами на преобразование, которые должныбыть меньше длительности временного дискрета />,где m- число разрядов АЦП. Еслибыстродействия АЦП не хватает, то переходят к ЦРГФ в виде комплексных фильтровс двумя квадратурными каналами, в которых включены два АЦП.
Аналогичные требованияпредъявляются и к быстродействию АЦП РПрУ устройства постановки помех.
Требования к устройствамВОИ менее жесткие, так как, например, индикатор кругового обзора (ИКО) долженобновлять информацию через время обзора.
7. Выбор итехнико-экономическое обоснование технологической базы
для реализации проекта
Техническая реализацияфильтровых устройств возможна на фильтрах с быстрым преобразованием Фурье (БПФ),а также на микропроцессорах DSP.Всё большую роль в цифровой обработке РЛИ начинают играть программируемыелогические интегральные микросхемы (ПЛИС), которые обладают гибкой структурой ивозможностью смены программы, в отличие, например от микропроцессоров.
Несколько слов об АЦП. Внастоящее время быстродействие использующихся образцов характеризуется частотойдискретизации />, например, АЦП AD 6644 фирмы Analog Device (США) имеет />,при 14 разрядах кода, динамическом диапазоне 73 дБ и частоте входного сигналадо 39 МГц.
/>
Рис. 9
Типовая реализацияустройства обнаружителя движущихся целей (ОДЦ) многоканально по дальности (m = 2000 каналов), рис.9. Послеподавления помех используется оптимальная, междупериодная обработка сигнала нафоне белого шума. Обычно применяют когерентное накопление остатков вычитания.При этом вводится поправка в фазу сигнала для компенсации движения цели.
Каналы дальностиреализуются либо с помощью селекторов дальности в УПЧ, либо с помощьюкоммутации ячеек ОЗУ.
Селекторы дальности (СД)обеспечивают поступление в каждый из m каналов сигналов только с одного элемента разрешения по дальности. Сподавлением помех в ЦРГФ информация записывается в ОЗУ, а затем фильтруется наоснове n-точечного алгоритма БПФ, пусть дажес неоднозначностью по скорости. Причем n = N-Kф = 42-6 = 36, где N- количество импульсов в пачке, а Кф- порядок режекторного фильтра.
8. Составлениеструктурной схемы устройства и описание её работы.
Структурную схемуустройства постановки активных шумовых помех представим в упрощенном виде, таккак перед нами не лежит конкретная задача разработки передатчика и антеннойсистемы. Данная схема изображена на рисунке 10:
/>
Рис. 10
Данная схема используетсложение мощностей и работу на одну антенну. ФАР позволяет сконцентрировать всюэнергию в узком луче и направить его на подавляемое РЭС. Это наиболееперспективная схема, к достоинствам которой можно отнести простоту изготовленияи применения а также дешевизну конструкции если стоит вопрос о большомколичестве изготавливаемых передатчиков.
На основе приведенныхвыше рассуждений и расчетов нам известно что необходимо применять когерентнуюсистему. Ниже приведем один из возможных вариантов построенияпсевдокогерентного радиолокатора высокой скважности (рис. 11). Такое построениекогерентно- импульсных радиолокаторов[5, стр. 169] характерно при использованииоднокаскадных передатчиков. Генератор ВЧ работает в режиме самовозбуждения примодуляции импульсами высокой скважности. Опорный когерентный сигнал формируетсякогерентным гетеродином, который синхронизируется по фазе импульсами генераторавысокой частоты, предварительно преобразованными на пч, так как когерентныйгенератор работает на промежуточной частоте. Принятые сигналы сравниваются сопорным на пч в детекторе. РГФ осуществляет селекцию сигналов движущихся целей.После этого производится вычисление параметров целей, затем селекция ложныхцелей. После усиления в усилителе сигналы движущихся целей подаются наиндикатор.
/>
Рис. 11. Структурнаясхема псевдокогерентного радиолокатора высокой скважности.
Заключение
В ходе выполнениякурсовой работы были получены ценные навыки расчета параметров РЭС разныхсторон РЭ конфликта, а также навыки анализа эффективности подавления ипомехозащиты. Был произведен эскизный расчёт РЛС и параметров помехозащиты.Определена структура средств помехопостановки и помехозащиты.
Таким образом, курсоваяработа достигла всех поставленных целей и задач.
Список использованныхисточников
1. Бакулев П.А.Радиолокационные системы. — М.,: Радиотехника, 2004 г.
2. Радзиевский В.Г.Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. — М.,: Радиотехника,2004 г.
3. Гоноровский И.С.Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Радио и связь, 1986 г.
4. Кузьмин С.З.Цифровая обработка РЛИ. – М.: Советское радио, 1967 г.
5. ВоскресенскийД.И. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Радио и связь, 1981 г.
6. Финкельштейн М.И.Основы радиолокации: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радиои связь, 1983. – 536 с., ил.
7. Основы системногопроектирования радиолокационных систем и устройств: Методические указания покурсовому проектированию по дисциплине «Основы теории радиотехнических систем»:Рязан. гос. радиотехн. акад.; Сост.: В.И. Кошелев, В.А. Федоров, Н.Д. Шестаков.Рязань, 1995, 60 с.