Общее описание компонентов модели рлс. Технологии моделирования при создании радиолокационных систем. Разработка зондирующих импульсов

2.2 Математическая модель РЛС

Как уже отмечалось в пункте 1.1, основными модулями РЛС являются блок антенны, совместно с антенным переключателем, передатчик и приемное устройство. В качестве оконечного устройства может быть использован большой класс разнообразных устройств, различающихся по способу отображения информации и не влияющих на принимаемые радиолокационные сигналы, поэтому данный класс устройств не рассматривается.

2.2.1 Математическая модель антенны

Одной из основных характеристик антенны является ее диаграмма направленности (ДНА) /5/, которая характеризует зависимость излучаемой мощности от направления (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Диаграмма направленности антенны по мощности

Диаграмма направленности антенны в плоскости азимут-дальность при постоянном угле места с равномерным распределением поля по раскрыву выражается функцией:

(14)

Угол β при равномерном движении антенны по окружности можно найти по формуле:

(15)

где ω – угловая скорость вращения антенны, рад/с.

Рассмотрим форму отраженного сигнала в РЛС кругового обзора. По мере вращения антенны амплитуда зондирующих импульсов, облучающих цель, изменяется в соответствии с диаграммой направленности. Таким образом, зондирующий сигнал, облучающий цель, оказывается модулированным и описывается функцией времени

где s П (t) – радиоимпульсы передатчика.

Предположим, что цель практически не изменяет длительность отраженных импульсов, а также движением цели за время облучения можно пренебречь. Тогда отраженный сигнал характеризуется функцией:

где k – постоянный коэффициент.

Для одно-антенной РЛС, у которой диаграмма направленности антенны при приеме описывается той же функцией F E (t), что и при передаче, сигнал на входе приемника записывается в виде:

Т.к. скорость вращения антенны сравнительно невелика и смещение луча за время запаздывания гораздо меньше, чем ширина диаграммы направленности, то F E (t)≈F E (t – t З). Кроме того, функция, характеризующая диаграмму направленности по мощности:

(19)

где β – угол, отсчитываемый в одну сторону от максимума до азимута цели, град;

Θ 0,5 – ширина диаграммы направленности по половинной мощности, отсчитываемая в обе стороны от максимума (рисунок 2.3), град.

С учетом сказанного (17) можно представить в виде:

т.е. импульсы на входе приемника оказываются промодулированными по амплитуде в соответствии с диаграммой направленности антенны по мощности.

Азимут цели определяется по параметрам датчика преобразователя угол-код (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Схема включения датчика преобразователя угол-код

При вращении антенны сигналы от фото излучателя фиксируются фото приемником после прохождения сигналов через отверстия в пластине, размещенной на оси антенны. Сигналы от фотоприемника передаются на счетчик, который формирует импульсы, называемые импульсами МАИ (малые азимутные интервалы). Угол поворота антенны, а, следовательно, и азимут принимаемого радиолокационного сигнала определяется по импульсам МАИ. Количество МАИ совпадает с коэффициентом пересчета счетчика и определяет, с какой точностью производится измерение азимута.

Исходя из вышесказанного, антенный модуль характеризуется следующими параметрами: форма диаграммы направленности и ее ширина, коэффициент усиления антенны, количество МАИ.

2.2.2 Математическая модель передающего устройства

Передающее устройство можно характеризовать мощностью излучения, количеством и типом зондирующих сигналов и законом их расстановки.

Дальность действия РЛС в случае оптимальной обработки сигнала и заданной спектральной плотности шума зависит от энергии зондирующего сигнала независимо от его формы /5/. Учитывая, что предельные мощности электронных приборов и антенно-фидерных устройств ограничены, увеличение дальности неизбежно связано с повышением длительности импульсов, т.е. со снижением потенциальной разрешающей способности по дальности.

Сложные или энергоемкие сигналы позволяют разрешать противоречивые требования повышения дальности обнаружения и разрешающей способности. Дальность обнаружения повышается при использовании сигналов с большой энергией. Увеличение энергии возможно за счет увеличения либо мощности, либо длительности сигнала. Мощность в РЛС ограничена сверху возможностями генератора радиочастоты и особенно электрической прочностью фидерных линий, соединяющих этот генератор с антенной. Следовательно, проще повышать энергию сигнала за счет увеличения длительности сигнала. Однако сигналы большой длительности не обладают хорошим разрешением по дальности. Сложные сигналы с большой базой могут разрешить эти противоречия /7/. В настоящее время широко используются частотно-модулированные (ЧМ) сигналы, как одна из разновидностей сложных сигналов.

Все множество ЧМ сигналов можно описать при помощи формулы:

(21)

где T – длительность импульса, с;

t – время, аргумент функции, изменяется в пределах , c;

b k – коэффициенты разложения в ряд фазы сигнала;

f 0 – несущая частота сигнала, Гц.

Действительно, при n = 1 получим линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал, у которого коэффициент b 0 – база сигнала – может быть найден как:

(22)

где Δf – девиация частоты ЛЧМ сигнала, Гц.

Если взять n = 1 и девиацию частоты Δf = 0 Гц, то получим сигнал МОНО или видеоимпульс с прямоугольной огибающей, который также широко применяемый в радиолокации для обнаружения целей на небольших расстояниях.

Другим способом повышения энергии сигнала при сохранении небольшой длительности импульсов является использование пачек импульсов, т.е. ряд импульсов, разделенных межимпульсными интервалами, рассматривается как единый сигнал. В этом случае энергия сигнала рассчитывается как сумма энергий всех импульсов /7/.

Проектирование современных радиолокационных систем военного назначения - непростая задача. Но применение новейших средств и методик моделирования позволяет разрешить многие трудности процесса разработки.

HONGLEI CHEN, SOFTWARE ENGINEER, RICK GENTILE, PRODUCT MANAGER MATHWORKS

Разработка радарных систем – сложная, мульти-доменная задача. С распространением технологии фазированных антенных решёток (ФАР) инженерам стали доступны новые возможности, такие как электронное управление лучом и пространственная обработка сигналов. Но новые возможности повлекли за собой усложнение систем в целом. К тому же, увеличение количества источников помех, «заполнение» радиочастотного спектра их излучением, вкупе с постоянно уменьшающейся эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) целей, создают новые трудности при достижении необходимых показателей эффективности радиолокационных систем.

Удобная среда динамической симуляции может стать решающим фактором в оптимизации процесса разработки РЛС и позволить снизить риски, неизбежно возникающие при проектировании сложных систем, работающих в сложных условиях. Моделирование мульти-доменных радарных систем поможет принять правильные решения в процессе разработки, а также позволит обнаружить ошибки проекта на самых ранних стадиях. К примеру, на модели можно оценить способность радара обнаруживать цели с малыми ЭПР, либо отработать алгоритмы обработки сигналов в условиях шумов и помех. На поздних этапах те же самые модели могут быть использованы для доказательства необходимости модификации существующей системы и подтверждения пользы от такой модификации до закупки или изготовления каких-либо дополнительных узлов. Помимо этого, на модели можно прогнозировать поведение системы в случае отказа одного или нескольких компонентов.

От зондирующих импульсов до обнаружений

Попробуем осветить несколько аспектов того, каким образом модель может помочь с оценкой параметров системы. На Рисунке 1 представлена мульти-доменная системная модель, созданная в Simulink. В модели присутствуют блоки радарной системы, ответственные за генерацию, приём, передачу и пространственную обработку сигналов. Математические описания целей и среды распространения также включены в состав системной модели.

Рисунок 1. Мульти-доменная модель РЛС.

Это модель радара X-диапазона, позволяющего обнаруживать цели с малыми значениями ЭПР (<0.5 м 2). Требуемая дальность в данном примере – 35 км с разрешением по дальности 5 метров. Каждый из блоков, показанных на Рис. 1, может быть с лёгкостью описан на языке MATLAB или настроен в соответствии с выбранной конфигурацией системы. Например, такие параметры, как тип сигнала, требуемая мощность передатчика или коэффициент усиления антенны могут быть явно установлены в каждом из блоков.

Разработка зондирующих импульсов

Как только мы определили параметры разрешения по дальности и по скорости, а также минимальную и максимальную дальность покрытия нашего радара, мы можем интерактивно подобрать параметры модулирующего импульса, соответствующего требованиям системы. На Рисунке 2 показана конфигурация параметров зондирующего импульса, устанавливаемых интерактивно. Полученные "характеристики сигнала" выделены рамкой, и мы можем убедиться в том, что они удовлетворяют требованиям системы. Рисунок 3 отображает характеристику соответствующего согласованного фильтра.

Рисунок 2. Модулирующий импульс.

Рисунок 3. Соответствующий согласованный фильтр.

Для подобных радарных систем мы стараемся минимизировать мощность передатчика, а значит и снизить стоимость. Несмотря на ограничение по мощности перед нами стоит задача обнаруживать цели с малыми ЭПР. Достичь этого можно используя в системе антенные решётки с большим коэффициентом усиления.

Разработка антенных решёток

Мы можем интерактивно спроектировать и проанализировать параметры решётки, включая геометрию, расстояние между элементами, взаимное расположение элементов и весовые функции. Пример показан на Рисунке 4 – прямоугольная решётка из 36x36 равноудалённых элементов. Луч, генерируемый подобными решётками, может отклоняться как по азимуту, так и по углу места. На Рисунке 5 показана диаграмма направленности разработанной антенны. Решётка таких размеров для радаров Х-диапазона может быть с лёгкостью установлена на множество платформ, в том числе подвижных.

В результате проведенного анализа особенностей эксплуатации и функционирования судовой РЛС, на основании соответствующей эксплуатационной документации и опыта практического применения судовой РЛС в реальных условиях, в качестве основных режимов работы следует выделить:

Режим ожидания (РО) - режим, при котором судовая РЛС может находиться в выключенном состоянии или во включенном, но не подготовленном к использованию основных функций.

Режим подготовки судоводителя (РПС)

Режим подготовки аппаратуры судовой РЛС к включению (РПА)- заключается в проведении внешнего осмотра.

Режим настройки и регулировки аппаратуры (РНА)- заключается в проведении необходимых настроек и регулировок, проверке РЛС во включенном состоянии и проверки правильности ее функционирования при измерении навигационных параметров.

Режим готовности судовой РЛС (РГ) - режим, при котором аппаратура судовой РЛС и судоводитель подготовлены к выполнению своих функций, аппаратура исправна и не занята измерениями навигационных параметров обнаруженных объектов.

Режим радионавигационных определений (РРНО) - состояние, характеризующее выполнение основных задач - обнаружение объекта и измерения параметров его движения.

Режим анализа навигационной обстановки (РАНО) - режим, при котором реализуется то количество наблюдений, которые необходимы для получения достоверной оценки измеряемого навигационного параметра.

Режим принятия решения (РПР) - здесь производится наблюдение за потенциально опасными целями, а также принятие решения об изменении курса и скорости.

Режим маневра (РМ) - в этом режиме происходит изменения курса судна и режима работы его двигателей.

Режим подготовки к включению аппаратуры (РПВА)

Режим восстановления аппаратуры (РВА)

Режим воздействия помех (РВП) - режим работы РЛС при котором на её функционирование влияет появившаяся помеха искусственного или естественного происхождения.

На основании выявленных состояний (режимов) функционирования судовой РЛС мы можем построить структурно-эксплуатационную модель функционирования в виде следующего графа состояний и переходов (Рис. 1).

Структурно-эксплуатационная модель функционирования судовой РЛС.

Так как мы принимаем, что все потоки, переводящие систему из состояния в состояние простейшие, то есть функции распределения времени пребывания системы в этих являются экспоненциальными, то справедливы соотношения:

α 1 2 = l / T 1 2 ,

где а 12 -

применению,

Т 12 - среднее время между этими заявками;

Α 23 = l / T 23 ,

где а 23 - интенсивность подготовки судоводителя,

Т 23 - среднее время подготовки судоводителя;

α 13 = l / T 13 ,

где а 13 - интенсивность поступления заявок на подготовку РЛС к

применению,

Т 13 - среднее время между этими заявками;

α 1,11 =1/Т 1,11

где а 1,11 -

Т 13 - среднее время между этими режимами

α 34 =1/Т 34 ,

где α 34 - интенсивность перехода аппаратуры из режима подготовки в режим настройки и регулировки,

Т 34 - среднее время между этими режимами;

α 3,11 =1/Т 3,11,

где α 3,11 - частота появления помех в режиме подготовки аппаратуры,

Т 3 , 11 - среднее время появления таких помех;

α 4,5 =1/Т 4,5,

где α 45 - интенсивность прекращения режима настройки аппаратуры в режим готовности,

Т 45 - среднее время подготовки аппаратуры к включению;

α 4,12 =1/Т 4,12 ,

где α 4,12 - частота воздействия помех в режиме настройки и регулировки аппаратуры,

Т 4,12 - среднее время между такими воздействиями;

α 56 =1/Т 56 ,

где α 56 - интенсивность перехода аппаратуры из режима подготовки в режим радио- навигационных определений;

Т 56 - среднее время перехода в режим;

α 59 =1/Т 59 ,

где α 59 - интенсивность перехода аппаратуры из режима готовности в режим маневра;

Т 59 - среднее время прекращения режима готовности с переходом в

режим манёвра;

α 5,11 =1/Т 5;11

где α 5,11 - интенсивность перехода аппаратуры с режима готовности в режим восстановления;

Т 5,11 - средняя наработка на отказ в режиме готовности;

α 5,12 =1/Т 5,12

где а 5,12 - интенсивность между режимом ожидания и режимом воздействия аппаратуры;

Т 5,12 - среднее время между этими режимами;

α 67 =1/Т 67 ,

где α 67 - интенсивность анализа навигационных параметров;

Т 67 - среднее время между анализами;

α 6,11 =1/Т 6;11

где α 6,11 - интенсивность отказа аппаратуры в режиме навигационных определений;

Т 6,11 - средняя наработка на отказ в режиме в режиме навигационных определений;

α 6,12 =1/Т 6,12

где а 6,12 - интенсивность воздействия помех в режиме радионавигационных определений;

Т 6,12 - среднее время появления таких помех;

α 78 =1/Т 78 ,

где α 78 - интенсивность перехода аппаратуры из режима анализа в режим принятия решения;

Т 78 - среднее время перехода в режим принятия решения;

α 7,10 =1/Т 7;10

где α 7,10 - интенсивность перехода в режим подготовки к включению;

Т 7,10 - средняя время перехода в режим подготовки аппаратуры к включению;

α 8,9 =1/Т 8,9

где α 8,9 - интенсивность между режимом принятия решения и режимом маневра;

Т 8,9 - среднее время между этими режимами;

α 8,11 =1/Т 8;11

где α 8,11 - интенсивность отказа аппаратуры в режиме принятия решения;

Т 8,11 - средняя наработка на отказ в режиме принятия решения;

α 8,5 =1/Т 8;5

где α 8,5 - интенсивность перехода аппаратуры из режима принятия решения в режим готовности;

Т 8,5 - среднее время между этими режимами;

α 8,10 =1/Т 8;10

где α 8,10 - интенсивность перехода в режим подготовки к включению;

Т 8,10 - среднее время перехода в режим подготовки аппаратуры к включению;

α 9,10 =1/Т 9;10

где α 9,10 - интенсивность перехода из режима маневра в режим подготовки к включению;

Т 9,10 - среднее время перехода в режим подготовки аппаратуры к включению;

α 9,5 =1/Т 9;5

где α 9,5 - интенсивность перехода аппаратуры из режима маневров в режим готовности;

Т 9,5 - среднее время между этими режимами;

α 10,1 =1/Т 10;1

где α 10,1 - интенсивность перехода из режима подготовки к режиму ожидания;

Т 10,1 - среднее время перехода в режим ожидания;

α 11,3 =1/Т 11,3

где α 11,3 - интенсивность перехода аппаратуры из режима восстановления в режим подготовки аппаратуры;

Т 11,3 - среднее время между этими режимами;

α 12,4 =1/Т 12;4

где α 12,4 - интенсивность прекращения воздействия помех с переходом в режим настройки и регулировки аппаратуры;

Т 12,4 - среднее время между этими режимами;

α 12,5 =1/Т 12;5

где α 12,5 - интенсивность прекращения воздействия помех с переходом в режим готовности;

Т 12,5 - среднее время прекращения воздействия помех с переходом в режим готовности;

α 12,6 =1/Т 12;6

где α 12,6 - интенсивность прекращения воздействия помех с переходом в режим радионавигационных определений;

Т 12,6 - среднее время прекращения воздействия помех с переходом в режим радионавигационных определений;

Воспользовавшись данными практического применения РЛС и эксплуатационной документацией, зададим время выше перечисленных переходов для двух РЛС: РЛС №1 (лучшие значения) и РЛС №2 (худшие значения), а также найдём соответствующие им интенсивности. Все данные для более наглядного представления снесены в таблицу №1 и №2.

Таблица №1

Таблица №2

Вывод: в данной части курсового проекта произведен анализ особенностей эксплуатации и функционирования судовой РЛС, по полученным результатам выделены основные режимы работы и установлено время пребывания в каждом режиме. На основании полученных данных просчитаны соотношения: α i , j =1/ T i , j

Ранее мы уже рассматривали модели радиолокационных станций.

Сегодня хочу представить Вам обзор модели РЛС П-18«Терек»(1РЛ131), в масштабе 1/72. Как и предыдущие, она производится украинской фирмой ZZ model. Набор имеет номер по каталогу 72003, и упакован в небольшую коробку из мягкого картона, со съемным верхом.

Внутри находятся детали из пластика, части из смолы, фототравление и инструкция.

В основе лежит пластиковая модель бортового грузовика «Урал» от ICM , от него и берется большая часть. Эта модель рассматривалась уже неоднократно, детально и подробно разбирались все недостатки и методы их устранения, так что, повторяться не вижу смысла. Можно только сказать, что правильная кабина и колеса производятся фирмой «Танкоград».

Из пластика так же даны некоторые элементы траверсы и подкосы антенны. Но их качество мне не очень понравилось, эти детали лучше заменить на проволоку, подходящего сечения.

Из смолы идет металлический фургон машины с антенно-мачтовым устройством (АМУ), боковые опоры, редуктор привода антенны.

К смоляным частям особых претензий нет, присутствует небольшое количество облоя, смещений и каверн нет.

В наборе присутствует две платы фототравления, которые, в основном, содержат элементы антенны РЛС П-18.

Качество травления не вызывает нареканий, но стоит учесть, что директоры антенны имеют круглое сечение, а здесь из-за издержек технологии получается квадратное сечение.

В принципе, можно оставить эти узлы как есть, но можно сделать кондуктор, и спаять директоры из проволоки, причем разного диаметра. Сама мачта, настоящей РЛС П-18, собирается из уголков с плоскими элементами усиления. Данный момент правильно передается фототравлением.

Инструкция, по сегодняшним меркам, очень примитивная. Да и при ближайшем рассмотрении, некоторые этапы сборки вызываю вопросы. Хотелось, чтобы производитель более детально показал сборку такого сложного узла, как антенна РЛС П-18.

Чтобы снять большинство вопросов по матчасти, я снял довольно подробный фото обзор walkaround в Техническом музее АвтоВАЗ в г.Тольятти.

Стоит еще добавить, что РЛС П-18«Терек»(1РЛ131) состоит из двух машин: аппаратной, с кузовом К-375 и машины с АМУ, которую мы сейчас и рассматриваем. При работе над моделью это стоит учесть и делать сразу две машины. При работе над аппаратной машиной, необходимо учесть расположение и размер люков на кузове. Для этого нужно найти хорошие фото, а при возможности провести замеры этого изделия.

В заключении стоит отметить, что данная модель явно не для начинающих моделистов и для получения достойного результата, здесь стоит запастись временем и терпением. Ее цена в интернет-магазинах составляет порядка 40$, что в конечном итоге не мало, при нынешнем курсе доллара.

Уважаемые читатели! C 18.11.2019 г. по 17.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой уникальной коллекции в ЭБС «Лань»: «Военное дело» .
Ключевой особенностью данной коллекции является образовательный материал от нескольких издательств, подобранный специально по военной тематике. Коллекция включает книги от таких издательств, как: «Лань», «Инфра-Инженерия», «Новое знание», Российский государственный университет правосудия, МГТУ им. Н. Э. Баумана, и некоторых других.

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»

Уважаемые читатели! 13 ноября в 10:00 библиотека ЛЭТИ в рамках договора о сотрудничестве с Президентской библиотекой им.Б.Н.Ельцина приглашает сотрудников и студентов Университета принять участие в конференции-вебинаре «Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки». Мероприятие будет проходить в формате трансляции в читальном зале отдела социально-экономической литературы библиотеки ЛЭТИ (5 корпус пом.5512).