CC BY
484
УДК 620.98
Максютов М.М., Власова А.М., Фирсова Д.И., Приказчиков А.В., Андреев П.Г,
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДИКА РАСЧЁТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Выполнен аналитический обзор радиолокационных систем. Описаны главные этапы радиолокационного наблюдения. Приведены формулы расчёта основных параметров Ключевые слова:
радиолокация, методика расчёта, параметры РЛС
Радиолокационные системы (РЛС) предназначены для обнаружения и определения текущих координат (дальности, скорости, угла места и азимута) отраженных объектов. РЛС излучает электромагнитную энергию и обнаруживает эхо-сигналы, приходящие от отраженных объектов, а также определяет их характеристики.
В теоретической части приведена функциональная схема импульсной активной РЛС воздушных целей для управления воздушным движением. Также приведены параметры системы и формулы для ее расчета.
В расчетной части будут определены следующие параметры: максимальная дальность с учетом поглощения, реальная разрешающая способность по дальности и азимуту, точность измерения дальности и азимута.
Радиолокация - область радиотехники, обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, то есть их обнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторых структурных или физических свойств путем использования отраженных или переизлученных объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения [1-4]. Информация, получаемая в процессе радиолокационного наблюдения, называется радиолокационной. Радиотехнические устройства радиолокационного наблюдения называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются радиолокационными целями или просто целями. При использовании отраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородности электрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемостей, проводимости), в которой распространяется первичная волна. Сюда относятся летательные аппараты (самолеты, вертолеты, метеорологические зонды и др.), гидрометеоры (дождь, снег, град, облака и т. д.), речные и морские суда, наземные объекты (строения, автомобили, самолеты в аэропортах и др.), всевозможные военные объекты и т. п. Особым видом радиолокационных целей являются астрономические объекты. Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. В зависимости от способов его получения различают следующие виды радиолокационного наблюдения.
Радиолокация с пассивным ответом, основанная на том, что излучаемые РЛС колебания - зондирующий сигнал - отражаются от цели и попадают в приемник РЛС в виде отраженного сигнала. Такой вид наблюдения иногда называют также активной радиолокацией с пассивным ответом.
Радиолокация с активным ответом, именуемая активной радиолокацией с активным ответом, характеризуется тем, что ответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специального ответчика - ретранслятора. При этом заметно повышается дальность и контрастность радиолокационного наблюдения.
Пассивная радиолокация основана на приеме собственного радиоизлучения целей, преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Если зондирующий сигнал в двух предыдущих случаях может быть использован как опорный, что обеспечивает принципиальную возможность измерения дальность и скорости [5-8], то в данном случае такая возможность отсутствует. Систему РЛС можно рассматривать как радиолокационный канал наподобие радиоканалов связи или телеметрии [912]. Основными составными частями РЛС являются
передатчик, приемник, антенное устройство, оконечное устройство.
Главные этапы радиолокационного наблюдения -это обнаружение, измерение, разрешение и распознавание .
Обнаружением называется процесс принятия решения о наличии целей с допустимой вероятностью ошибочного решения.
Измерение позволяет оценить координаты целей и параметры их движения с допустимыми погрешностями.
Разрешение заключается в выполнении задач обнаружения и измерения координат одной цели при наличии других, близко расположенных по дальности, скорости и т. д.
Распознавание дает возможность установить некоторые характерные признаки цели: точечная она или групповая, движущаяся или групповая и так далее.
Радиолокационная информация, поступающая от РЛС, транслируется по радиоканалу или по кабелю на пункт управления. Процесс слежения РЛС за отдельными целями автоматизирован и осуществляется с помощью ЭВМ.
Навигация самолетов по трассе обеспечивается посредством таких же РЛС, которые применяются в УВД. Они используются как для контроля выдерживания заданной трассы, так и для определения местоположения в процессе полета.
Для выполнения посадки и ее автоматизации наряду с радиомаячными системами широко используются РЛС посадки, обеспечивающие слежение за отклонением самолета от курса и глиссады планирования.
В гражданской авиации используют также ряд бортовых радиолокационных устройств. Сюда, прежде всего, относится бортовая РЛС для обнаружения опасных метеообразований и препятствий. Обычно она же служит для обзора земли с целью обеспечения возможности автономной навигации по характерным наземным радиолокационным ориентирам.
Радиолокационные системы (РЛС) предназначены для обнаружения и определения текущих координат (дальности, скорости, угла места и азимута) отраженных объектов. РЛС излучает электромагнитную энергию и обнаруживает эхо-сигналы, приходящие от отраженных объектов, а также определяет их характеристики.
Рассмотрим работу импульсной активной РЛС обнаружения воздушных целей для управления воздушным движением (УВД), структура которого приведена на рисунке 1. Устройство управления обзором (управление антенной) служит для просмотра пространства (обычно кругового) лучом антенны, узким в горизонтальной плоскости и широким в вертикальной. В рассматриваемой РЛС используется импульсный режим излучения, поэтому в момент окончания очередного зондирующего радиоимпульса единственная антенна переключается от передатчика к приемнику и используется для приема до начала генерации следующего зондирующего радиоимпульса, после чего антенна снова подключается к передатчику и так далее.
Эта операция выполняется переключателем прием-передача (ППП). Пусковые импульсы, задающие период повторения зондирующих сигналов и синхронизирующие работу всех подсистем РЛС, генерирует синхронизатор. Сигнал с приемника после аналого-цифрового преобразователя (АЦП) поступает на аппаратуру обработки информации - процессор сигналов, где выполняется первичная об-
работка информации, состоящая в обнаружении сигнала и изменении координат цели. Отметки целей и трассы траекторий формируются при первичной обработке информации в процессоре данных.
Сформированные сигналы вместе с информацией об угловом положении антенны передаются для
дальнейшей обработки на командный пункт, а также
для контроля на индикатор кругового обзора (ИКО). При автономной работе радиолокатора ИКО служит основным элементом для наблюдения воздушной обстановки [13-16]. Такая РЛС обычно ведет обработку информации в цифровой форме. Для этого предусмотрено устройство преобразования сигнала в цифровой код (АЦП).
Рисунок 1 - Функциональная схема РЛС кругового обзора
Максимальная дальность действия задается тактическими требованиями и зависит от многих технических характеристик РЛС, условий распространения радиоволн и характеристик целей, которые в реальных условиях использования станций подвержены случайным изменениям. Поэтому максимальная дальность действия является вероятностной характеристикой. Уравнение дальности в свободном пространстве (т. е. без учета влияния земли и поглощения в атмосфере) для точечной цели устанавливает связь между всеми основными параметрами РЛС,
I Еттт3с,
Э = 41
юл 4 4пХ 2кК
эфо
!ё (1/^ ) ^ 18 (1/ ^ ) _
где Идт- вероятность ложной тревоги; ятность правильного обнаружения.
веро-
ва0,5
где 1обл =-, Ги- частота посылок импульсов; о2ао,5
- ширина диаграммы направленности уровне 0,5 по мощности
антенны на
еас,5=65
я
где Еизл- энергия, излучаемая в одном импульсе; Sа - эффективная площадь антенны; Зэфо- эффективная отражающая площадь цели; X - длина волны; кр - коэффициент различимости (отношение энергий сигнал/шум на входе приемника, при котором обеспечивается прием сигналов с заданными вероятностью правильного обнаружения и вероятностью ложной тревоги Wлт); Еш - энергия шумов, действующих при приёме [17-19].
Е = Р т
изл ИИ ,
где Ри - импульсная мощность; импульсов.
- длительность
где ¿а
ЫагЫав ,
горизонтальный размер зеркала антенны;
¿ав- вертикальный размер зеркала антенны.
N
кр=кр
П
а.
1
где кр сти.
где до
- теоретический коэффициент различимо-
кР т = р'т' 2N '
параметр обнаружения; N
количество
импульсов, принимаемых от цели.
а„ =■
360 т
тобз
где Тобз - период обзора.
Еш = ккшГ ,
где к=1,Э8-10-23 Дж/град - постоянная Больцмана; кш - коэффициент шума приемника; Т - температура приемника в градусах Кельвина (Т=300К).
Максимальная дальность действия РЛС с учетом поглощения энергии радиоволн.
- 0,1155~„ДЯ
ширина
где 5осл - коэффициент ослабления; ДБ -ослабляющего слоя.
Если антенная система не вносит ограничений, то минимальная дальность действия РЛС определяется длительностью импульсатии временем восстановления антенного переключателя т •
А™ = - \Ти +Тв )+Щ,
где с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, с = 3'108; ти,-длительность импульсов; Тв- время восстановления антенного переключателя. Реальную разрешающую способность по дальности при использовании в качестве выходного устройства индикатора кругового обзора определим по формуле
И
N = 'обл ^и
а
а
Ы
аг
где а - угловая скорость вращения антенны.
т
5^)=5^)поТ+5^)инд, где 8^) пот - потенциальная разрешающая способность по дальности; 8^)инд - разрешающая способность индикатора по дальности.
Для сигнала в виде некогерентной пачки прямоугольных импульсов:
8 (В) = Т
V /пот 2
где с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; с = 3'108; Ти, - длительность импульсов; 8^)инд - разрешающая способность индикатора по дальности вычисляется по формуле
8 (В) = ,
где Dшк - предельное значение шкалы дальности; kэ= 0,4 - коэффициент использования экрана, Qф -качество фокусировки трубки.
Реальную разрешающую способность по азимуту определяется по формуле:
8 (фаз) =8 ( фаз ) пот+8 (
фаз)инд,
где 8 (фаз) пот - потенциальная разрешающая способность по азимуту при аппроксимации диаграммы направленности гауссовой кривой; 8 (фаз) инд- разрешающая способность индикатора по азимуту
8 ( фаз ) пот =1,3^0,5 , 8 ( фаз ) инд=dnMf ,
где dn - диаметр пятна электронно-лучевой трубки; Mf - масштаб шкалы.
Mf =
360 2пг
сигнала, от наличия неучтенных запаздываний сигнала в трактах передачи, приема и индикации, от случайных ошибок измерения дальности в индикаторных устройствах.
Точность характеризуется ошибкой измерения. Результирующая среднеквадратическая ошибка измерения дальности определяется по формуле:
a (D) = Ja 2(D)n0I +
а
(D) растр + ^ <
a 2(D)a
где а (D) по дальности; a (D) распр ности распространения; ошибка.
- потенциальная ошибка измерения a (D) распр - ошибка из-за непрямолиней-
o(D)e
-аппаратурная
a (D)noi =
где q0
П' Чо
удвоенное отношение сигнал/шум.
2^
(
Чо = 2
in
_1_
'W
-1,4 + in
1
1 - W
■-1,4
Систематические ошибки при измерении азимута могут возникнуть при неточном ориентировании антенной системы РЛС и вследствие несоответствия между положением антенны и масштабной электрической шкалой азимута. Случайные ошибки измерения азимута цели обуславливаются нестабильностью работы системы вращения антенны, нестабильностью схем формирования отметок азимута, а также ошибками считывания.
Результирующая среднеквадратическая ошибка измерения азимута определяется:
/Л ч ба0,5 ° (Фаз )пот =-
п- Чо
где г - удаление отметки от центра экрана.
Точность определения дальности зависит от точности измерения запаздывания отраженного сигнала, ошибок из-за неоптимальности обработки
ЛИТЕРАТУРА
1. Бакулев, П. А. Радиолокационные системы. Учебник для ВУЗов. - М.: Радиотехника, 2004. - 550
2. Казаринов, Ю. М. Радиотехнические системы. Учебник для вузов — М.: Академия, 2008. — 590 с.
3. Якимов, А. Н. Моделирование распространения электромагнитных волн в помещении с учетом влияния местных предметов / А. Н. Якимов, П. Г. Андреев, В. В. Князева // Журнал радиоэлектроники. - 2015.
- № 2. - С. 8.
4. Гришко, А. К. Анализ применения методов и положений теории статистических решений и теории векторного синтеза для задач структурно-параметрической оптимизации / А. К. Гришко // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - № 4 (16). - С. 26-34. DOI: 10.21685/2307-4205-2016-4-4.
5. Юрков, Н. К. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств / Н. К. Юрков, П. Г. Андреев, А. С. Жумабаева // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2015. - Т. 1. - С. 201-203.
6. Гришко, А. К. Оптимальное управление параметрами системы радиоэлектронных средств на основе анализа динамики состояний в условиях конфликта / А. К. Гришко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. - № 2 (38). - С. 102-111. DOI: 10.21685/2072-30592016-2-9.
7. Гришко, А. К. Оптимальное управление частотным ресурсом радиотехнических систем на основе вероятностного анализа динамики информационного конфликта / А. К. Гришко // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2016. - № 57. - С. 21-28. DOI: 10.21667/19954565-2016-57-3-21-28.
8. Гришко, А. К. Анализ математических моделей расчета электроакустических полей и дальности действия радиолокационных систем методом последовательного анализа / А. К. Гришко, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инженерный вестник Дона. - 2015. - Т. 35. - № 2-1. - С. 16.
9. Andreyev P., Grishko A., Yurkov N. The Temperature Influence on the Propagation Characteristics of the Signals in the Printed Conductors. 2016 13th International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications, and Computer Science (TCSET). Lviv-Slavsko, Ukraine, February 23-26, 2016. pp. 376-378. DOI: 10.1109/TCSET.2016.7452063
10. Гришко, А. К. Управление электромагнитной устойчивостью радиоэлектронных систем на основе вероятностного анализа динамики информационного конфликта / А. К. Гришко, А. С. Жумабаева, Н. К. Юрков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 49-58.
11. Гришко, А. К. Методика оценки интенсивности интерференции в радиоэлектронных системах на основе геоинформационного подхода / А. К. Гришко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2017. - № 1 (19). - С. 45-49.
12. Гришко А. К. Анализ надежности структурных элементов сложной системы с учетом интенсивности отказов и параметрической девиации / А. К. Гришко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 3 (19). - C. 130-137.
13. Гришко А. К. Алгоритм оптимального управления в сложных технических системах с учетом ограничений / А. К. Гришко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2017.
- № 1 (21). - C. 118 - 124
14. Гришко А. К. Анализ надежности сложной системы на основе динамики вероятности отказов подсистем и девиации параметров / А. К. Гришко // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс.
- 2016. - № 6 (34). - С. 116-121.
С - Т
и
2
15. Grishko A. Parameter control of radio-electronic systems based of analysis of information conflict. 2016 13th International Scientifictechnical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE - 2016). Novosibirsk, 03-06 октября, 2016 г. 2016. pp. 107-111. DOI: 10.110 9/APEIE.2016.7806423.
16. Grishko A., Goryachev N., Kochegarov I., Yurkov N. Dynamic Analysis and Optimization of Parameter Control in Radio Systems in Conditions of Interference. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Moscow, Russia, May 12-14, 2016. pp. 1-4. DOI: 10.110 9/SIBC0N.2016.7491674.
17. Rybakov I., Goryachev N., Kochegarov I., Grishko A., Brostilov S. and Yurkov N. Application of the Model of the Printed Circuit Board with Regard to the Topology of External Conductive Layers for Calculation of the Thermal Conditions of the Printed Circuit Board. Journal of Physics: Conference Series, Volume 803, Number 1, 2017, pp. 1-6. DOI:10.1088/17 42-6596/803/1/012130.
18. Grishko A., Goryachev N., Yurkov N. Adaptive Control of Functional Elements of Complex Radio Electronic Systems. International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, Number 23 (2015), pp. 43842-43845.
19. Andreev P., Yakimov A., Yurkov N., Kochegarov I., Grishko A. Methods of Calculating the Strength of Electric Component of Electromagnetic Field in Difficult Conditions. 2016 12th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov, Russia, September 22-23, 2016, Vol. 1. P. 1-7. DOI: 10.1109/APEDE.2016.7878895.
УДК 621.375
Приказчиков А. В., Гришко А, К,, Бростилов С. А., Мазанов А.М., Шамионов М.С.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОД СНИЖЕНИЯ ИСКАЖЕНИЙ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Рассмотрен подход к улучшению характеристик интегральных усилителей, повышению их линейности с использованием источника тока
Ключевые слова:
интегральный усилитель, микросхема, источник тока, акустическая система
Интегральные усилители на микросхемах ТБА2030, ТБА2040 и подобные им, просты и неприхотливы в эксплуатации. В типовом включении схемы таких усилителей имеют мало навесных элементов, обеспечивают достаточный коэффициент усиления и выходную мощность (14-20 Вт), но выходные каскады данных схем имеют высокие нелинейные и интермодуляционные искажения, так как работают в режиме В, несмотря на то, что четные гармоники в симметричных двухтактных каскадах взаимно компенсируются [1-4]. Таким схемам также присущи переходные искажения, отраженные на временной диаграмме (рис.1), показывающей воздей-
переходные кадам.
искажения, присущие двухтактным кас-
+Еп
ствие переходных искажений на сигнал [5-8]. Слабые сигналы в теряются.
синусоидальный таких каскадах
Вых
АС 4(8) Ом
Рисунок 1 - Изменение формы синусоидального
сигнала в результате переходных искажений
В источниках [2] предлагается для снижения искажений использовать источник тока, функциональная схема такого усилителя показана на рисунке 2.
Данная идея была адаптирована для применения в активных акустических системах [9-12]. На рисунке 3 приведена принципиальная электрическая схема. Недостатком этой схемы является рассеивание значительной мощности на микросхеме, снижение энергетических характеристик (низкий КПД усилителя, потери мощности на источнике тока). Усилитель выполнен на основе интегральной схемы ЬМ 1875Т (1875) с более высокими характеристиками в сравнении с ТБА2030, ТЬА2040. Она рассеивает около 20 Вт, поэтому необходимо установить ее на алюминиевый (лучше медный) радиатор площадью не менее 140 см2, имеющий множество ребер высотой 1,5-2 см. На транзисторах УТ1, УТ2 собран источник тока 350 мА. УТ2 также необходимо установить на радиатор площадью около 7 0 см2. Этот источник тока обеспечивает работу «верхнего» плеча выходного транзистора ЬМ 1875Т в режиме А (для малых сигналов), тем самым, уменьшая
-Еп
Рисунок 2 - Функциональная схема снижения переходных искажений
Особенностью данной схемы также является отсутствие разделительных конденсаторов (усилитель постоянного тока) и балансирующих цепей операционного усилителя [13-15]. Для увеличения устойчивости усилителя при необходимости можно установить корректирующий конденсатор С1 5пФ. При подключении к 4-х омной АС, содержащей электродинамические громкоговорители, необходимо включить 5-ти ватный керамический проволочный резистор Я9, 3,9 Ом - 5И3Я9^ При необходимости подобрать цепочку Цобеля - Буше Я8 - С6 в зависимости от подключаемой нагрузки [16-18].
Данная схема имеет резервы для повышения качества звучания. Можно повысить напряжение питания ЬМ 1875Т до ±30 В и подобрать оптимальный коэффициент передачи резисторами Я2, Я3, Я5 для коррекции переходной характеристики. При увеличении напряжения питания следует увеличить площадь радиатора. Использование в качестве нагрузки 8-миомной акустической системы также позволит уменьшить искажения.
