Характеристики морских РЛС
Эксплуатационные характеристики морских РЛС определяют возможности их применения для решения навигационных задач как самостоятельно, так и во взаимодействии с другими радиоэлектрон ными средствами.
К эксплуатационным характеристикам относятся:
-- определяемые координаты и возможность получения траекторий движения целей; -- максимальная дальность действия; -- минимальная дальность действия; -- разрешающая способность по определяемым координатам; -- точность измерения определяемых координат; -- время приведения станции в рабочее состояние с момента ее включения; -- количество целей, информация о которых может обрабатываться одновременно; -- помехозащищенность; -- надежность; -- работоспособность при различных механических и климатических условиях.
Подробно рассмотрим лишь некоторые из приведенных эксплуатационных характеристик.
МАКСИМАЛЬНАЯ И МИНИМАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ
Максимальная дальность.
Максимальная дальность зависит от: -- условий распространения радиоволн -- эффективной площади рассеивания цели -- импульсной мощности -- чувствительности приемника и.т.д.
Они могут изменяться во время работы РЛС случайно.
Максимальной дальностью Dmах является такая дальность, при которой обеспечивается обнаружение цели с заданной вероятностью.
Очень часто за величину Dmах принимают такое значение, полученное в результате большого числа испытаний (для определенного типа целей) при вероятности обнаружения 0,5. Таким образом, на расстоянии Dmах цель может быть обнаружена в 50% случаев, а при приближении цели вероятность обнаружения будет возрастать, стремясь к 1.
Иногда величина Dmах указывается для вероятности обнаружения 0,67 или 0,9. В этом случае расстояние между РЛС и целью будет соответственно меньше. Аналитическое выражение для дальности действия РЛС может быть получено только для идеальных условий. Дальность действия РЛС главным образом зависит от характеристик станции и отражающей способности цели. Кроме того, на дальность действия влияют отражения от водной или земной поверхности, затухания электромагнитных волн в атмосфере и др. Однако выявление действия этих факторов на дальность действия РЛС следует начать с предположения, что атмосфера однородна и отсутствует затухание электромагнитных волн.
Дальность действия РЛС существенно зависит от направленных свойств антенны. Водная поверхность также оказывает влияние на дальность радиолокационного обнаружения из-за отражения электромагнитных волн от воды. Кроме того, на дальность оказывает влияние кривизна Земли. С увеличением высоты антенны РЛС и укорочением длины волны количество лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости увеличивается, а сами лепестки оказываются более прижатыми к земле, что способствует лучшему обнаружению низких целей. В то же время отражение электромагнитных волн от водной поверхности помимо возникновения лепесткового поля вызывает заметное уменьшение дальности обнаружения объектов, имеющих малую высоту. В связи с прямолинейным распространением радиоволн влияние кривизны Земли эквивалентно уменьшению высоты антенны РЛС и объекта. Отражение электромагнитных волн происходит не от плоской, а от выпуклой поверхности, поэтому наблюдается рассеяние отраженных лучей. Все это ведет к ослаблению мощности принимаемых отраженных сигналов. Распространение электромагнитных волн радиолокационного диапазона происходит в нижних слоях атмосферы — тропосфере. Влияние тропосферы сказывается на искривлении прямолинейного направления луча, обусловленного влиянием атмосферной рефракции.
На дальность действия РЛС оказывает влияние и затухание радиоволн. Оно происходит из-за поглощения и рассеяния электромагнитной энергии газами атмосферы, гидрометеорами (дождь, туман, снег и т. п.).
Минимальная дальность.
Минимальная дальность обнаружения Dmin — это минимальное расстояние от РЛС до надводного объекта, при котором его отметка на экране наблюдается не исчезая.
Dmin зависит от ряда причин, относящихся как к РЛС, так и к цели, а также от высоты установки антенны РЛС и состояния внешней среды.
К этим причинам следует отнести:
а) длительность зондирующего импульса, оказывающая основное влияние на величину Dmin. б) согласование волноводного тракта. в) наводка модулятора на приемное устройство, обусловленная тем, что модулятор и приемник конструктивно располагаются в одном приборе. Из-за недостаточной экранировки видеоимпульс модулятора наводится на элементы приемника, вызывая его перегрузку на время, превышающее длительность зондирующего импульса (перегрузка приемника может ухудшить его чувствительность после окончания ЗИ). г) энергия, просачивающаяся через разрядник защиты приемника (РЗП), вызывает перегрузку приемника, после которой чувствительность восстанавливается медленно и приводит к увеличению минимальной дальности обнаружения; д) временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) резко уменьшает чувствительность приемника на расстояниях, близких к РЛС. Снижая перегрузку приемника, ВАРУ значительно ослабляет и полезный сигнал, который может не обнаружиться даже на близких расстояниях; е) высота установки антенны и ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. При узкой диаграмме в вертикальной плоскости и большой высоте антенны цель попадает в зону, где отсутствует излучаемая мощность, и сигнал не будет виден на экране; ж) сигнал от цели с большой эффективной площадью рассеивания (ЭПР) может превысить мешающие наводки на приемник и будет обнаружен. Следовательно, чем больше ЭПР, тем меньше Dmin.
Величина минимальной дальности, на которой продолжается наблюдение за объектом на экране индикатора РЛС, имеет важное значение при использовании морских РЛС.
Мертвая зона — это расстояние, на котором сигналы от объектов, расположенных в непосредственной близости от места установки РЛС, не могут воспроизводиться на экране индикатора.
Определенная по выражению величина DmIn обычно указывается в технической документации на РЛС. Однако реализация этого значения Dmin требует правильной установки антенны РЛС на судне, с тем чтобы высота подъема антенны с учетом ширины ее диаграммы направленности в вертикальной плоскости не приводила к увеличению значения Dmin.
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РЛС
Разрешающая способность является одним из важнейших эксплуатационных параметров судовой РЛС.
Разрешающая способность зависит от следующих технических параметров станции: -- длительности излучаемого импульса -- диаграммы направленности антенны -- типа и характеристик индикатора.
Разрешающая способность характеризует способность станции раздельно воспроизводить на экране отметки от близкорасположенных или имеющих различную ЭПР объектов, т. е. подробность радиолокационного изображения.
Качество разрешения зависит от отношения сигнал/шум, а также от амплитуды и формы сигналов, т. е. для разрешения сигналов требуется тем большее отличие по параметру разрешения, чем большую протяженность по этому параметру имеют сами сигналы. Так, по времени лучше разрешаются короткие сигналы, а по направлению — сигналы от антенн с более узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Реальная разрешающая способность всегда хуже потенциальной из-за искажения сигналов в реальном приемоиндикаторном тракте. Потенциальную разрешающую способность можно оценить, предполагая, что помехи отсутствуют и ухудшение разрешения обусловливается только искажением формы излучаемых импульсов при распространении и приеме.
Разрешающая способность по дальности.
Разрешающая способность по дальности — минимальное расстояние между целями, находящимися в одном направлении относительно РЛС, отметки которых на экране наблюдаются отдельно.
Для улучшения разрешающей способности необходимо:
-- сократить выносимый на индикатор участок дальности (укрупнить масштаб); -- увеличить линейный размер развертки (размер экрана); -- уменьшить диаметр пятна ЭЛТ; -- подобрать оптимальную характеристику приемного тракта.
Разрешающая способность по дальности тем лучше, чем короче излучаемые импульсы и чем шире полоса пропускания приемника РЛС.
Разрешающая способность по углу.
Разрешающая способность по углу представляет собой угол между двумя целями, находящимися на одном расстоянии, отметки которых на экране РЛС наблюдаются раздельно.
При равномерном обзоре линейный размер отметки определяется временем облучения цели, т. е. скоростью вращения антенны и шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Соответственно минимальное расстояние между целями на одной дальности от РЛС, при котором отметки наблюдаются раздельно, также определяется шириной диаграммы в горизонтальной плоскости.
Разрешающая способность по интенсивности сигналов.
Разрешающей способностью называется способность индикатора РЛС обеспечивать выделение на экране сигналов, имеющих различные амплитуды (различную интенсивность).
Обычный индикатор РЛС, использующий ЭЛТ с длительным послесвечением, характеризуется 1—2 градациями яркости, которые используются для отображения радиолокационной обстановки. При этом сигналы различной интенсивности, отраженные от различных объектов, практически воспроизводятся в виде отметок одинаковой яркости, что затрудняет классификацию объектов. Так как диапазон амплитуд принимаемых радиолокационных сигналов весьма широк, то для практики представляет значительный интерес возможность выявления разницы в амплитудах отраженных сигналов. Это позволяет не только увеличить количество информации, получаемой оператором об окружающей обстановке, классифицировать объекты, но и улучшить выделение эхо-сигналов от объектов на фоне помех.
ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ
Точность определения координат целей характеризуется величинами систематических и случайных погрешностей.
Рассмотрим инженерную методику оценки точности измерения координат объектов с помощью РЛС. Несмотря на то что погрешности рассчитываются при проектировании РЛС, наиболее объективной является экспериментальная оценка погрешностей в реальных условиях эксплуатации.
Оценка точности измерения направления.
Потенциально возможная точность измерения направлений определяется наименьшей погрешностью при данной ширине диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и отношении сигнал/шум. Эта погрешность носит случайный характер. Реальная погрешность измерения направлений по индикатору РЛС определяется погрешностями, основные из которых:
а) погрешность передачи углового положения антенны к индикатору; б) погрешность из-за несовпадения начала развертки с началом механического визира направлений; в) погрешность совмещения визира направлений с центром отметки; г) обусловленная параллаксом, т. е. удалением механического визира от отметки (из-за толщины стекла экрана ЭЛТ); д) погрешность измерения направлений (из-за наклона диаграммы направленности при качке судна); е) субъективная, зависящая от опыта оператора и его зрения.
Результирующая погрешность оценивается экспериментально с учетом всех составляющих, т. е. точность измерения направлений в навигационных РЛС должна оцениваться по максимальной ошибке, которая представляет собой сумму всех систематических и случайных погрешностей.
Оценка точности измерения дальности.
При использовании визира дальности (ПКД) также возникают случайные и систематические ошибки.
Потенциальная точность измерения расстояний зависит от:
-- длительности импульса РЛС -- отношения сигнал/шум и количества импульсов принимаемых от объекта внутри ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.
Таким образом, потенциальная погрешность определения дальности является случайной величиной.
В условиях эксплуатации необходимо также учитывать погрешности:
-- из-за используемого при измерении масштаба изображения; -- из-за изменения режима работы схемы визира дальности в процессе эксплуатации; -- обусловленные субъективными качествами оператора.
В процессе эксплуатации РЛС из-за нарушения регулировки ее блоков могут изменяться эксплуатационные параметры. Поэтому необходимы периодическая настройка и контроль ее параметров. При этом важнейшее значение приобретает методика оценки погрешностей. Важной эксплуатационной характеристикой РЛС является ее надежность, которая определяет способность сохранить заданные технические характеристики в процессе эксплуатации. Количественно надежность оценивается вероятностью безотказной работы в течение заданного времени, средним временем между двумя отказами, частотой отказов. К эксплуатационным характеристикам станции относятся также ее габаритные размеры, масса, удобство обслуживания, ремонтопригодность и другие, которые иногда имеют решающее значение при выборе типа станции для установки на судне.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЛС
К важнейшим техническим характеристикам относятся:
-- длина волны, определяемая частотой СВЧ-заполнения; -- частота повторения импульсов; -- ширина диаграммы направленности антенны; -- скорость обзора пространства; -- чувствительность приемного устройства; -- тип индикатора, его параметры; -- потребляемая мощность и др.
Технические характеристики выбираются таким образом, чтобы обеспечить заданные эксплуатационные требования к РЛС. Рассмотрим некоторые из них.
Использование в РЛС СВЧ-диапазона.
В морских РЛС используется СВЧ-диапазон (частоты 2900—3100, 5470—5650, 9200— 9500 МГц), которому соответствуют сантиметровые волны (10, 6, 3 см).
Использование СВЧ-диапазона в радиолокационных станциях обусловлено следующим:
-- длина волны СВЧ-колебаний, заполняющих импульс, должна быть значительно меньше линейных размеров даже малого объекта, чтобы обеспечить интенсивное отражение; -- в СВЧ-диапазоне можно создать антенны с узкой диаграммой направленности, имеющие сравнительно небольшие габаритные размеры, что весьма существенно для бортовой аппаратуры; -- применение СВЧ-диапазона необходимо для заполнения модулирующих импульсов, имеющих малую длительность (0,1 мкс).
Такая длительность импульсов требуется для получения радиолокационного изображения высокого качества с точки зрения воспроизведения деталей.
Таким образом, длина волны морских РЛС определяет размеры антенной системы при требуемых значениях ширины диаграммы направленности. Кроме того, при выборе длины волны учитываются необходимость обеспечения работы импульсами малой длительности, получения необходимой излучаемой мощности и чувствительности приемника. Увеличение скорости обзора не может происходить бесконечно, так как при определенных больших скоростях вращения начинает проявляться эффект динамического сужения луча, т. е. уменьшения числа принимаемых импульсов от объекта. Влияние этого эффекта возрастает на больших дальностях, а значит, ухудшается обнаружение целей из-за конечного времени распространения радиоволн. Эффект динамического сужения можно проиллюстрировать, если диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости представить в виде сектора. При сбегании антенного луча (рис. 12, а) он еще направлен на цель и облучает ее (сплошная линия), а к моменту прихода отраженного сигнала антенный луч успевает уже повернуться (пунктир) — сигнал не принимается. При набегании луча (рис. 12, б) сигнал мог бы быть принят (пунктир), но в момент облучения луч не был направлен на цель. Таким образом, эффект динамического сужения приводит к неравенству числа принятых импульсов от цели и числа посланных импульсов прн облучении.
Этот эффект проявляется особенно ярко, когда скорость настолько велика, что расчетное число импульсов приближается к 1.
При выборе скорости обзора еще нельзя уверенно судить об обнаружении цели из-за влияния помех. При получении двух и более отметок в данной точке экрана обнаружение будет определяться совокупной вероятностью обнаружения.
С увеличением скорости обзора число облучений в единицу времени растет, но вероятность обнаружения при каждом облучении падает, так как уменьшается число принимаемых импульсов.
1.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ
Передатчик импульсной РЛС предназначен для выработки зондирующих (запросных) импульсов.
В состав передатчика входят генератор СВЧ и модулятор, обеспечивающий импульсную работу генератора. Работой модулятора управляет синхронизатор РЛС, т. е. после поступления на модулятор синхронизирующих импульсов последний вырабатывает мощные модулирующие импульсы (постоянного тока). С помощью этих импульсов осуществляется модуляция (чаще всего анодная) генератора СВЧ (магнетрона), вырабатывающего радиоимпульсы (переменного тока), которые поступают в антенну и излучаются в пространство с определенной частотой следования, определяемой синхронизатором импульсов. На форму излучаемых импульсов, а также на их длительность и амплитуду влияют параметры как модулятора, так и самого генератора СВЧ. Высокочастотное заполнение импульсов определяется только характеристиками генератора.
УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ
Синхронная работа всех блоков РЛС с излучением зондирующих импульсов обеспечивается с помощью специального синхронизирующего устройства.
Различают схемы синхронизации трех типов:
-- от блокинг-генератора; -- от датчика частот sin-колебаний, стабилизированного кварцем; -- от генератора повышенной частоты, питающего РЛС.
Блокинг-генератор представляет собой наиболее простое синхронизирующее устройство и используется в простых станциях, предназначенных для малых судов. Датчик частот sin-колебаний применяется в тех РЛС, где требуется высокая стабильность частоты. Этот синхронизатор значительно сложнее, так как кроме кварцевого генератора он имеет делители частоты sin-колебаний и специальный узел формирования запускающих импульсов. Такие синхронизаторы используются в сложных РЛС на крупных судах. Синхронизация от источника переменного напряжения производится в тех случаях, когда частота питания равна или кратна частоте следования импульсов РЛС. Между синхронизатором и основными блоками станции вводятся линии задержки, так как запуск отдельных блоков и узлов происходит с определенными сдвигами по времени. Рассмотрим функциональную схему синхронизатора, работающего от датчика частот sin-колебаний (рис. 13).
Рис. 13. Формирование старт-импульсов от датчика sin-колебаний
Датчик частот вырабатывает три sin-колебания разных частот. Частота f стабилизируется кварцем (обычно она имеет значение 40—80 кГц). Фазы напряжений, прошедшие фазорегулирующие цепи, подобраны таким образом, что один раз за период самой низкой частоты положительные максимумы напряжений всех трех частот совпадают по времени. В моменты их совпадения вырабатываются трапецеидальные импульсы.
После дифференцирования короткие импульсы отрицательной и положительной полярности поступают на блокинг-генератор, формирующий из положительных импульсов запускающие импульсы (ЗИ). Для управления мощным модулятором в РЛС синхронизирующие импульсы поступают на подмодулятор, формирующий более мощные импульсы заданной формы. Генераторами СВЧ в диапазонах метровых и дециметровых волн являются ламповые генераторы, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах — магнетроны, клистроны, а также полупроводниковые генераторы.
Основные характеристики передатчика:
-- импульсная мощность влияющая на дальность действия РЛС -- заданная форма и длительность импульсов -- стабильность частоты генератора -- высокий КПД.
ВРЕМЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАТЧИКОВ РЛС
Радиолокационные передатчики характеризуются:
-- формой излучаемых радиоимпульсов -- длительностью излучаемых радиоимпульсов -- частотой повторения излучаемых радиоимпульсов.
Временные характеристики. Форма и длительность радиоимпульсов определяются модулирующими видеоимпульсами, а также временем нарастания (спада) амплитуды ВЧ-колебаний. Идеальную прямоугольную форму импульса на практике получить не удается. К ней стремятся, чтобы повысить возможность разделения близких сигналов, а также точность измерения времени запаздывания сигналов при измерении дальности. Плоская вершина способствует выделению полезных сигналов на фоне помех. Трудность формирования прямоугольных импульсов объясняется наличием переходных процессов как в модуляторе, так и в генераторе СВЧ, усилителях и т. д. Форму импульса на практике считают прямоугольной. Форма реального импульса характеризуется постепенными (плавными) переходами. Импульсные РЛС излучают радиоимпульсы периодической последовательности.
Периодическую последовательность характеризуют следующие временные параметры:
-- период повторения импульсов — временной интервал между фронтами, спадами или центрами двух ближайших импульсов последовательности -- частота повторения импульсов (число импульсов в секунду) -- скважность импульсов -- коэффициент заполнения
МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
В навигационных РЛС в качестве генератора СВЧ используются многорезонаторные магнетроны импульсного режима.
Магнетрон — электровакуумный прибор (цилиндрический диод), в котором управление электронным потоком, возбуждающим колебания ВЧ-поля, осуществляется взаимноортогональными постоянными электрическими и магнитными полями. Как уже рассматривалось в курсе основ радиотехники, колебательной системой служит система взаимосвязанных объемных резонаторов, объединенных в анодный блок. Эмитируемые катодом электроны, попадая в пространство взаимодействия электрических и магнитных полей, движутся по петлеобразным траекториям. Каждый электрон, движущийся в пространстве взаимодействия, обладает радиальной составляющей скорости и касательной, определяющей его движение по окружности анодного блока. Это движение обеспечивает наведение на поверхностях анодного блока и щелевой части резонаторов изменяющихся во времени электрических зарядов. Наведенное зарядами переменное электрическое поле изменяется с частотой, определяемой свойствами колебательной системы. Вследствие краевого эффекта переменное поле проникает в пространство взаимодействия. Касательная составляющая этого поля (в зависимости от направления) тормозит либо ускоряет движущиеся электроны. При торможении происходит передача энергии ВЧ-полю, при ускорении энергия отбирается от поля. Таким образом, образуются участки с повышенной плотностью или разрежением («спицы» электронного ротора). Число «спиц» всегда вдвое меньше числа резонаторов. Можно создать условия, когда вращение электронных «спиц» вокруг катода будет синхронно и синфазно с изменением поля в резонаторах, т. е. «спицы» оказываются всегда под щелями резонаторов с тормозящим переменным полем. В этом случае энергия, отдаваемая электронами, превышает энергию, отбираемую ими от поля, что обеспечивает поддержание ВЧ-колебаний в магнетроне. Передача ВЧ-колебаний в волновод осуществляется от одного из резонаторов.
МОДУЛЯТОРЫ
Модуляторы предназначены для управления работой высокочастотного генератора (магнетрона).
Импульсный режим работы генератора обеспечивается при поступлении мощных модулирующих импульсов от модулятора. Важнейшим элементом модулятора является накопитель энергии (конденсатор, дроссель или искусственная длинная линия). В промежутках между импульсами происходит заряд накопителя от источника энергии — высоковольтного выпрямителя. С помощью коммутатора накопительный элемент модулятора разряжается (отдает накопленную энергию) на генератор, который преобразует поступающую энергию в энергию ВЧ-колебаний. В качестве ключа могут использоваться тиратрон, дроссель или электронная лампа.
Так как энергия, накопленная в течение продолжительной паузы, излучается во время очень короткого промежутка времени, импульсная мощность во много (приблизительно в 1000 раз) превосходит потребляемую модулятором мощность. Рассмотрим функциональную схему модулятора, состоящую из накопителя, ограничителя, источника питания и ключа (рис. 16).
В течение времени T ключ находится в левом положении и накопитель запасает энергию. При перебросе ключа в правое положение на время т к генератору СВЧ подводится мощность. Схема преобразовывает мощность источника в нескоько раз большую мощность питания генератора. Для ограничения импульсной мощности в цепь заряда накопителя включается ограничительное сопротивление (ограничитель).
Модуляторы различают по виду накопителя и по режиму его работы:
-- с емкостным накопителем в режиме частичного или полного разряда; -- с индуктивным или индуктивно-емкостным накопителем в режиме полного разряда. В судовых радиолокационных передатчиках наиболее часто применяются емкостные накопители. В модуляторах с такими накопителями длительностью импульса управляет коммутатор (электронная лампа, газоразрядный прибор, тиристор и т. п.).
В судовых РЛС применяют следующие типы модуляторов:
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|