Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Января 2015 в 02:56, реферат
Исследования и разработки в области автоматической обработки цифровой информации в радиолокационных системах имели и имеют большой интерес. Это обусловлено тем, что при решении задач управления движением и противовоздушной обороны поступающая в быстром темпе от обзорных радиолокационных систем высокоточная информация должна быть в последующем соответствующим образом обработана.
СОДЕРЖАНИЕ
Исследования и разработки в области автоматической обработки цифровой информации в радиолокационных системах имели и имеют большой интерес. Это обусловлено тем, что при решении задач управления движением и противовоздушной обороны поступающая в быстром темпе от обзорных радиолокационных систем высокоточная информация должна быть в последующем соответствующим образом обработана.
Процессор данных РЛС может быть определен как совокупность реализованных на ЭВМ алгоритмов, которые по информации, получаемой в нескольких последовательных циклах обзора, позволяют:
Разрабатывавшиеся перед второй мировой войной РЛС были простыми устройствами, предназначенными для обнаружения самолетов. За прошедшие годы РЛС стали важнейшей частью компьютерных информационных систем, обеспечивающих запрограммированный и адаптивный контроль окружающего пространства, а также выполняющих функции принятия решений и самоконтроля. Такое развитие обусловлено улучшением характеристик и повышением гибкости РЛС, необходимыми для их применения как в военной, так и в гражданской сферах.
Современная РЛС военного назначения должна выполнять ряд функций, для реализации каждой из которых ранее создавалась отдельная РЛС. Например, РЛС систем ПВО и управления оружием должны обеспечивать поиск в больших объемах пространства, обнаружение и сопровождение высоко- и низкоскоростных целей в широком диапазоне высот, управление ракетами и ствольным оружием при стрельбе по воздушным и наземным целям, а также должны выполнять функции навигации и разведки. Для удовлетворения требований гражданской авиации РЛС должны выполнять функции управления воздушным движением, предупреждения столкновений, инструментальной посадки, определения метеорологических условий и обеспечения навигации. При этом РЛС часто работают в условиях неблагоприятных внешних воздействий, вызываемых отражениями от местных предметов, помехами от других радиосредств и специальных станций помех.
Независимо от сложности современные РЛС можно классифицировать по основной выполняемой функции. При таком подходе могут быть выделены четыре группы.
А. Обзорные РЛС, предназначенные для поиска целей (т. е. самолетов и кораблей) в заданном секторе пространства. В зависимости от решаемых задач такие РЛС могут быть размещены на наземных средствах, кораблях и самолетах. Для надежного обнаружения в заданном секторе за отведенное время (определяемое особенностями применения) РЛС распределяет необходимую среднюю мощность по всему поисковому объему.
Кроме того, обзорная РЛС измеряет следующие параметры цели (или некоторые из них):
Временная задержка между моментом излучения импульсного сигнала РЛС и приемом отраженного сигнала позволяет измерить дальность до цели. Направление на цель определяется по положению антенны РЛС. Например, антенна с узкой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости (представляющей собой веерный луч в вертикальной плоскости) позволяет измерить азимут цели. Антенна с узкой ДН в обеих плоскостях позволяет измерить как азимут, так и угол места цели.
Сигнал, отраженный от движущейся цели, вследствие эффекта Доплера смещен по частоте. Это явление позволяет измерить радиальную составляющую скорости цели. Наконец, цели можно различать по размерам (определяющим мощность отраженного сигнала), форме и другим признакам, например по степени отражения волн различной поляризации. На рис. 1.1 показаны параметры, которые могут быть измерены обзорной РЛС при однократном облучении.
Рис. 1.1. Параметры цели, измеряемые обзорной РЛС
Радиолокационные станции с зеркальной антенной и механическим сканированием по азимуту не позволяют измерить угол места цели. Для определения этого параметра используются высотомеры, измеряющие характеристики цели уже после обнаружения ее обзорной РЛС. Антенны высотомеров сканируют в вертикальной плоскости. Однако в современных обзорных РЛС предусмотрено автоматическое измерение высоты цели. В этом случае угол места определяется с помощью многолепестковой ДН или при электронном сканировании узконаправленной ДН по углу места. При работе обзорной РЛС контролируемое пространство разбивается на элементы разрешения, размеры которых зависят от длительности импульса и ширины ДН антенны. В качестве координат обнаруженных целей принимаются координаты центров элементов разрешения.
Б. Радиолокационные станции сопровождения позволяют определить параметры цели с большей точностью, чем размеры элементов разрешения обзорных РЛС. Знание положения цели в элементе разрешения особенно важно при больших размерах элементов разрешения, а также если эта информация используется в дальнейшем, например, для прогнозирования положения цели, управления оружием, наведения или навигации. Точная оценка параметров цели достигается с помощью соответствующей обработки отраженных сигналов. Точность оценивания может быть повышена за счет объединения информации, получаемой при многократном облучении цели. В моноимпульсных РЛС точность измерения угловых координат повышается с помощью одновременного формирования двух смежных ДН антенны. При обработке информация объединяется двумя способами: суммарным (Е) и разностным (А). Угловые координаты измеряются путем соответствующей обработки отношения А/Е.
Процедуры получения точных значений дальности и доплеровского сдвига аналогичны методам оценивания угловых координат. При оценивании дальности сигналы нормируются относительно общей энергии импульса (что соответствует суммарному лучу, Е), затем производится операция дифференцирования — временное стробирование сигнала (что соответствует разностному лучу, А). Оценивание доплеровского сдвига выполняется подобно оцениванию угла, так как каналы доплеровских частот аналогичны смежным лучам антенны при измерении угловых координат.
В случае объединения информации при многократном облучении цели необходимо различать РЛС непрерывного сопровождения и РЛС сопровождения на проходе. Станции первой группы позволяют непрерывно получать данные сопровождения цели, на которую постоянно направлена ДН антенны. Станции второй группы периодически выдают данные о нескольких целях, осуществляя при этом сканирование ДН антенны в азимутальной плоскости. В общем случае в состав РЛС сопровождения названных типов входят различные радиоэлектронные блоки.
Радиолокационные станции с ФАР с электронным сканированием луча обеспечивают выполнение функций поиска и сопровождения так же, как если бы эти операции осуществлялись двумя отдельными РЛС, одна из которых оптимизирована для решения задачи обнаружения, другая — для решения задачи сопровождения. Возможность практически мгновенно направлять один или несколько лучей в любую точку контролируемого воздушного пространства позволяет одновременно производить поиск и сопровождение нескольких целей, передачу данных, наведение ракет и выполнять другие операции. Поэтому такие РЛС называют многофункциональными.
Компьютер, получивший название блока управления (контроллера) РЛС, обеспечивает сканирование луча, управляет временем облучения цели и излучаемой мощностью. Управление осуществляется адаптивно с учетом обстановки, назначения РЛС, потребностей оператора.
Г. Вторичные обзорные РЛС выполняют поиск и опознавание целей в соответствии с методом «запрос—ответ». При этом предполагается, что цели оснащены необходимой аппаратурой. В систему вторичной радиолокации входят: наземный запросчик-приемник, антенна, бортовой приемоответчик и индикатор РЛС. Запросный сигнал, представляющий собой кодированную последовательность импульсов, включает приемоответчик, который автоматически передает данные опознавания и высоту полета самолета. С помощью обработки ответного сигнала, осуществляемой в наземном приемнике традиционными для обзорной РЛС методами, получают дополнительную информацию о дальности и азимуте цели. Вторичные РЛС находят все более широкое применение в гражданской и военной областях.
Создание надежных и недорогих цифровых микроэлектронных схем позволило реализовать сложные алгоритмы выделения и обработки данных и методы управления, соответствующие тактико-техническим требованиям, предъявляемым к современным РЛС.
Упрощенная функциональная схема современной РЛС показана на рис. 1.2. Место установки РЛС зависит от ее назначения.
Рис. 1.2. Функциональная схема современной РЛС.
В ряде случаев РЛС размещается в двух помещениях: в первом находятся передатчик, приемник и аппаратура цифровой обработки сигналов; во втором — ЭВМ, выполняющая функции ЦОРИ, устройство отображения информации и устройство управления (контроллер).
Рассмотрим основные блоки, показанные на рис. 1.2, и выполняемые ими функции.
Антенна и устройство управления обзором. Эти элементы РЛС определяют форму и направление луча при передаче и приеме.
Может быть использована как антенна зеркального типа с механическим вращением по азимуту, сопряженная с другой антенной с механическим сканированием по углу места (для измерения высоты), так и ФАР, осуществляющая электронное сканирование в одной или двух плоскостях.
Передатчик. В передатчике используются, как правило, электровакуумные приборы, генерирующие когерентную последовательность импульсов высокой пиковой мощности в возможно более широкой полосе частот (последнее необходимо для повышения помехозащищенности). Вместе с тем, в РЛС с ФАР могут быть использованы маломощные полупроводниковые усилители.
Генератор формы сигнала. Генератор формирует сигналы, соответствующие обстановке и условиям распространения, а также используемому режиму работы. Примерами режимов работы могут быть поиск целей (при наличии или отсутствии отражений от местных предметов) или сопровождение с применением мер помехозащиты. Для увеличения дальности действия и подавления помех от местных предметов могут, например, генерироваться импульсы повышенной длительности с частотной или фазовой импульсной модуляцией.
Антенный переключатель. Этот переключатель при передаче направляет всю генерируемую энергию к антенне, а при приеме подключает антенну к приемному тракту.
Приемник. В приемнике осуществляется частотное преобразование сигнала, подавление помех и усиление в малошумящих цепях. При разработке радиолокационных приемников большое внимание уделяется снижению уровня шума, что достигается применением согласованной фильтрации, максимизирующей отношение сигнал-шум на выходе.
Процессор сигналов. Процессор определяет наличие или отсутствие в принимаемом сигнале составляющей, обусловленной отражениями от цели. Кроме того, он подавляет мешающие сигналы, обусловленные отражениями от подстилающей поверхности (суша, море), метеообразований, а также излучениями радиосредств, источников шумов и постановщиков помех. В процессоре осуществляется когерентная или (и) некогерентная обработка принимаемых сигналов, дискретизированных по времени.
При когерентной обработке учитываются синфазная и квадратурная составляющие видеосигнала. Некогерентная обработка происходит после устранения информации о фазе сигнала в детекторе. Обнаружение осуществляется путем сравнения видеосигнала на выходе приемника с заданным пороговым уровнем; превышение этого уровня рассматривается как факт обнаружения цели. Процессор сигналов реализуется в текущем времени с использованием специализированных аппаратных средств.
В результате развития цифровых методов широкое распространение получили следующие операции, выполняемые в процессоре сигналов.
Сжатие импульсов, позволяющее применять кодирование формы сигналов большой длительности и ограниченной импульсной мощности. При приеме отраженные сигналы с помощью согласованной фильтрации свертываются в короткие импульсы. Таким образом, характеристики обнаружения РЛС зависят от излучаемой энергии, а разрешение и точность измерения дальности определяются параметрами сжатого импульса.
Селекция движущихся целей (СДЦ) позволяет подавлять мешающие отражения от поверхности суши и моря, а также от движущихся дождевых туч и облаков дипольных отражателей. В последнем случае адаптивная оценка центральной частоты спектра отражений обеспечивает настройку фильтра СДЦ в соответствии с этим спектром.
Импульсно-доплеровская обработка (ИДО) обеспечивает более высокое качество подавления мешающих отражений (по сравнению с использованием только СДЦ), позволяет увеличить чувствительность РЛС, а также измерять доплеровскую скорость цели. С помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) по N когерентным отсчетам (как правило, N = 8... 100) рассчитываются спектральные составляющие. Эта операция обеспечивает достаточно надежное выделение цели на фоне мешающих отражений; кроме того, появляется возможность различения двух целей по их доплеровским сдвигам, даже если они находятся в одном и том же элементе разрешения по дальности.