Исследование принципов построения и путей совершенствования радиолокационных систем с применением сложных сигналов

 















КУРСОВАЯ РАБОТА

Исследование принципов построения и путей совершенствования радиолокационных систем с применением сложных сигналов



Введение

радиолокационный сигнал связь широкополосный

Изобретение радиолокации было обусловлено потребностями военной техники, нуждавшейся в средствах противовоздушной обороны. В ходе второй мировой войны и сразу после ее окончания разработка радиолокационных систем (РЛС) проводилась главным образом с ориентацией на военные применения. Военные системы все еще остаются главной сферой внедрения радиолокационной техники, хотя РЛС используются и для решения самых различных задач - от измерения скорости полета бейсбольного мяча, до картографирования поверхности Венеры. Нижняя граница рабочего диапазона РЛС составляет несколько мегагерц, а верхняя достигает оптической области. Антенны могут быть меньше почтовой марки или в несколько раз больше футбольного поля. Мощности передатчиков РЛС могут быть в пределах от нескольких милливатт до мегаватт. Радиолокационные системы устанавливаются на космических аппаратах, самолетах, судах, танках и в стационарных позициях.

Но реальные показатели РЛС не достигают пока потенциальных теоретических пределов из-за ряда причин. Для их устранения используются различные методы, среди которых использование сложных сигналов.

Целью данной курсовой работы является совершенствование учебно-методического комплекса дисциплины Радиотехнические системы.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

-Произвести анализ основных видов сложных сигналов;

-Произвести анализ широкополосных систем связи;

-Произвести классификацию радиолокационных систем, их тактических и технических характеристик;

-Обоснование основных путей развития радиолокационных систем со сложными сигналами.


1. Сложные сигналы


.1 Определение сложных сигналов


Под сложными обычно понимают такие сигналы, для которых произведение их длительности на занимаемую полосу частот значительно больше единицы [2]. Поскольку из соотношения неопределенности следует, что финитные по длительности сигналы не могут иметь финитного спектра, то определение длительности и занимаемой полосы частот нуждается в уточнении. В среднеквадратическом смысле длительность сигнала S(t) и занимаемая им полоса частот выражаются следующим образом:


?t =, (1)

?=,(2)

где .


Более реально длительность и полоса определяются долями энергии сигнала и на заданном временном интервале ?t и в заданной полосе частот ?.

Такими сигналами, обеспечивающими наибольшую концентрацию энергии на заданном временном интервале и в заданной полосе частот, оказываются сжатые сфероидальные волновые функции, которые являются собственными функциями интегрального уравнения с ядром вида sint/t. Едва ли можно такие сигналы признать более простыми, чем, например, отрезки гармонических сигналов, даже с точки зрения их формы, не говоря уже о способе формирования. Увеличение длительности сигнала, если оно не сопровождается сужением занимаемой полосы частот, приводит к появлению «сложного» сигнала. Примерами могут служить периодические прямоугольные импульсы, функции Уолша высокого порядка или, наконец, отрезок, состоящий из элементарных ФМ или ЧМ двоичных сигналов, длина которых увеличивается. Классический сложный сигнал - JIЧM (с линейной частотной модуляцией радиоимпульса) является весьма простым с точки зрения его описания и генерирования.

Двоичное избыточное кодирование и прием в целом сигналов, соответствующих кодовым комбинациям, несомненно является случаем использования сложных сигналов (особенно для мощных кодов), однако, по данному выше определению, их сложность имеет тот же порядок, что и при отсутствии всякого кодирования. Действительно, полоса частот при использовании кодов увеличивается в 1/R раз, где R - скорость используемого кода, а в соответствии с теоремой Шеннона можно получить сколь угодно малую вероятность ошибки (), если R<C, где С - пропускная способность канала связи с помехами. Так, при вероятности ошибки двоичного символа в канале р= можно получить , если R?0,92, т.е. практически без существенного расширения занимаемой полосы частот.

Приведенные выше примеры говорят о том, что определение «сложного» сигнала является нечетким не столько из-за невозможности установления количественной грани между простым и сложным сигналом, сколько из-за многозначности самого понятия «сложности» и «простоты» сигнала. Эти понятия в последнее десятилетие значительно переосмысливались в связи с появлением цифровых методов формирования и обработки сигналов, применением вычислительной техники, новых электронных приборов.

Помимо термина «сложный» сигнал часто используется понятие широкополосного сигнала (в зарубежной литературе их называют сигналами с «растянутым спектром» (spread spectrum)). Обычно широкополосному сигналу дают такое же определение, как и сложному. Тогда к широкополосным относятся сигналы, соответствующие кодовым комбинациям, хотя применение корректирующих кодов почти не требует расширения полосы частот по сравнению с примитивным кодированием.

Иногда определяют систему связи с широкополосными сигналами как систему, в которой передаваемый сигнал занимает полосу частот значительно большую, чем полоса частот передаваемой информации с заданной скоростью. При таком определении корректирующие коды не будут относиться к широкополосным системам, но они, безусловно, остаются сложными сигналами.

Часто используются термины псевдослучайные или псевдошумовые сигналы, которые являются частными случаями широкополосных сигналов.

Положительные свойства сложных сигналов, как правило, связаны с улучшением возможностей приема сигналов или оценивания их параметров в различных каналах связи. Таким образом, сложные сигналы появляются, прежде всего, как следствие оптимизации их структуры. Характерно то, что отношение сигнал-шум на выходе фильтров, согласованных с такими сигналами, оказывается значительно больше, чем на выходе полосового фильтра с оптимальной полосой пропускания (шум в этом случае считается белым).

Сложные сигналы используются в радиолокации, радионавигации и связи в следующих случаях:

.Улучшение точности оценок временных задержек сигналов и сдвигов несущей частоты в каналах связи при наличии помех, в том числе и белого шума.

2.Повышение помехоустойчивости системы передачи дискретных сигналов:

при наличии помех, отличных от белого шума;

при наличии в канале связи выраженной дискретной многолучевости;

в условиях организованных помех с оптимизируемой структурой;

при работе в общей полосе частот многих пар корреспондентов, т.е. при наличии структурных помех.

.Повышение секретности систем радиолокации, радионавигации и связи, т.е. ухудшения возможности их обнаружения и идентификации посторонними лицами.

4.Приближение к реализации пропускных способностей каналов связи, т.е. выбор ансамблей сигналов, обеспечивающих весьма высокую достоверность при высокой информационной скорости передачи.

5.Одновременное обеспечение передачи информации и оценка параметров сигналов.

Весьма важным частным случаем сложных сигналов являются так называемые двоичные составные сигналы, формальное представление которых имеет следующий вид [10]:


, 0 ? t ? T, (3)


где , - система из 2N ортогональных или биортогональных функций;- «длина» (база) составных сигналов;

Т - длительность составных сигналов.

Полное число составных сигналов вида (1.3) очевидно равно 2N, однако не обязательно все из них могут быть выбраны в системе связи. В частном случае для передачи одного информационного бита можно использовать всего два вида сигналов - и .

Функции могут быть выбраны, вообще говоря, перекрывающимися как в частотной, так и во временной области, но обычно ортогональность обеспечивается тем, что эти функции не перекрываются во времени или (и) частоте. В частности, обеспечение ортогональности за счет временных сдвигов приводит к следующей структуре двоичных составных сигналов:


, (4)

где при t < 0 и t >.


Фактически запись (4) означает, что сигналы (t) представляют собой последовательность сигналов и длительностью , закон чередования которых определяется двоичными наборами ().

Наиболее важным частным случаем (4) является использование в качестве элементарных сигналов («чипов») отрезков гармонического сигнала с модуляцией фазы на р. Такие сигналы называют двоичными составными ФМ сигналами. Ясно, что «сложность» сигналов в последнем случае и как следствие их положительные свойства определяются только двоичными наборами ().

Заменяя временной сдвиг в (4) сдвигом по частоте, легко получить частотно-составные сигналы, а осуществляя одновременно различные сдвиги по времени и частоте, еще более сложные структуры - частотно-временные матрицы (ЧВМ). Достаточно подробная классификация ЧВМ и их основные свойства даны в [1] и здесь не будем на них останавливаться.

Одно из простых обобщений представления (4) состоит в том, что используется не 2, a q различных элементарных функций и, следовательно, не двоичный, а q-ичный набор . Частный случай такого представления - гармонические многофазные элементарные сигналы.

Более существенно такое обобщение (4) (каскадные сигналы), когда элементарные сигналы сами являются двоичными составными сигналами, т.е.


, (5)

где при t < 0, t > ; S = 0, 1,..., q-1.


Очевидно дальнейшее обобщение (5), когда также составные сигналы и т.д.

Данная конструкция, по существу, представляет собой непрерывный аналог каскадных кодов.

Обратимся теперь к возможным способам обработки составных сигналов. Известно, что для функций, принадлежащих пространству (интегрируемых с квадратом на интервале ()), к которым всегда можно отнести физически реальные сигналы u(t), любое линейное преобразование Lu может быть представлено в следующем виде:


,(6)


где - функция из .

Частным случаем (6) является преобразование свертки


,(7)


где ,

а частным случаем (7) - корреляционная обработка сигнала


,(8)


где S(t) - передаваемый сигнал.

Линейное преобразование принимаемых сигналов - это часть оптимальной (с точки зрения минимума вероятности ошибки) обработки принимаемых сигналов для постоянного канала с коррелированным гауссовским шумом, для канала с гауссовским шумом и неопределенной фазой и для некоторых моделей каналов со случайными параметрами. Корреляционная обработка (8) оптимальна для канала с гауссовским белым шумом. В каналах с негауссовскими аддитивными помехами оптимальная обработка входных сигналов часто оказывается нелинейной, однако и в этом случае она требует на определенном этапе корреляционной обработки преобразованных сигналов [10].

Таким образом, преобразование свертки (7) и корреляционный интеграл (8) являются весьма важными процедурами при обработке сигналов в задачах радиолокации, навигации и связи. При использовании в этих системах сложных сигналов, в частности составных сигналов с большой базой, реализация свертки связана со значительными трудностями даже при цифровой обработке и при наличии микропроцессорной техники. Задачи обработки сигналов существенно усложняются из-за необходимости обеспечения синхронизации сложных сигналов.


1.2 Виды сложных сигналов


Сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) представляет собой радиоимпульс, частота которого линейно изменяется (увеличивается или уменьшается) от начала к концу импульса. Фильтр, оптимальный для ЛЧМ-радиоимпульса должен иметь импульсную характеристику в виде ЛЧМ-импульса, зеркально отображенного относительно сигнала. Если у исходного радиоимпульса сгущения были справа, а разрежения - слева (левый график на рисунке 1), то у импульсной характеристики расположение сгущений и разрежения должно быть противоположным (правый график рисунке 1). Реализуется фильтр на основе линии задержки с неравностоящими отводами, полосового фильтра и интегратора. Отводы должны быть расположены в соответствии с требуемой импульсной характеристикой. На рисунке 2 приведены эпюры напряжений оптимального фильтра для сигнала без внутриимпульсной модуляции (слева) и сигналов с ЛЧМ (справа).



Рисунок 1- Вид ЛЧМ сигналов


Рисунок 2- Принцип работы фильтров для тонального и ЛЧМ сигналов


Для простого радиоимпульса без внутриимпульсной модуляции отводы линии задержки должны быть расположены равномерно. С каждого отвода снимается частотно-модулированный импульc. Сигналы с отводов линии задержки суммируются. Расположение отводов подобрано так, чтобы в момент окончания импульсов на выходе линии задержки происходило суммирование всех положительных полупериодов. Амплитуда результирующего колебания в другие моменты времени близка к нулю. Длительность выходного импульса существенно меньше длительности входного.

Корреляционная функция или отклик СФ имеет вид, приведённый на рисунке 3:




Рисунок 3 - Корреляционная функция или отклик СФ


. (9)


Фазоманипулированный сигнал. Кроме плавного изменения частоты сигнала, как это бывает в случае ЛЧМ, также возможно изменение фазы сигнала. Технически проще реализуется дискретное изменение фазы. Такой сигнал называется фазоманипулированным. Наибольшее распространение получила фазовая манипуляция по равномерным кодам (Хэмминга, Баркера и др.). Таким образом, радиоимпульс с фазовой манипуляцией представляет собой дискретный сигнал, обычно с прямоугольной огибающей, фаза которого в дискретные моменты времени скачком меняет свое значение по определенному коду. Пример такого сигнала приведен на рисунке 4 а, а закон манипуляции - на рисунке 4 б. В верхней части рисунка 4 приведена структурная схема фильтра, согласованного с указанным сигналом. Фильтр построен на основе линии задержки с отводами. В цепи отводов помещены усилители с единичным коэффициентом усиления, но с инверсией или без нее. Знаки коэффициентов усиления (импульсная характеристика фильтра) устанавливаются зеркальными относительно сигнала. Таким образом, К1 =1, К2= -1, К3=1, К4=1. Здесь единица означает усиление без инверсии, минус единица - усиление с инверсией. Для четырехэлементного кода импульс укорачивается в 4 раза. Использование такого фильтра позволяет работать при мощности шума, превышающей мощность сигнала на входе в 2-3 раза. На выходе такого звена обычно ставят фильтр, согласованный с одиночным элементарным радиоимпульсом [8].



Рисунок 4- Принцип работы СФ фазоманипулированного сигнала



2. Широкополосные системы связи


.1 Определение широкополосных систем связи


В системах связи с ШПС ширина спектра ШПС F всегда много больше ширины спектра передаваемого сообщения. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС и скорость передачи информации R связаны соотношением Т= 1/R. Поэтому база ШПС


В=F/R(10)


характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. В аналоговых системах связи, у которых верхняя частота сообщения равна W и частота отсчета равна 2W,


В = F/2W.(11)


И если B ? 1, F >> R и F >> 2W. Именно поэтому системы связи с ШПС в зарубежной литературе получили название системы связи с расширенным (или распределенным) спектром, а в отечественной литературе - широкополосные системы связи [1]. В дальнейшем термин «широкополосные системы связи (ШCC)» будет относиться только к системам связи с ШПС.


2.2 Помехоустойчивость ШСС


Она определяется широко известным соотношением, связывающим отношение сигнал-помеха на выходе приемника (на выходе согласованного фильтра или коррелятора) q2 с отношением сигнал-помеха на входе приемника :


,(12)


где ( - мощности ШПС и помехи),


,


Е - энергия ШПС,

- спектральная плотность мощности помехи в полосе ШПС.

Соответственно а B - база ШПС.

Отношение сигнал-помеха на выходе q2 определяет рабочие характеристики приема ШПС, а отношение сигнал-помеха на входе р2 - энергетику сигнала и помехи. Величина q2 может быть получена согласно требованиям к системе (10...30 дБ) даже если р2 << 1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой В, удовлетворяющей (12). Как видно из соотношения (12), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) в 2В раз. Именно поэтому величину


(13)


называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки. Из (12), (13) следует, что усиление обработки . В ШСС прием информации характеризуется отношением сигнал-помеха , т.е.


(14)

Соотношения (12), (14) являются фундаментальными в теории систем связи с ШПС. Они получены для помехи в виде белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот, ширина которой равна ширине спектра ШПС. Вместе с тем эти соотношения справедливы для широкого круга помех (узкополосных, импульсных, структурных), что и определяет их фундаментальное значение. В общем случае, усиление обработки ШПС для произвольных помех


,(15)


где степень приближения зависит как от вида помех, так и от базы ШПС.

На рисунке 5 приведены графики помехоустойчивости систем связи с ШПС, с частотной модуляцией (ЧМ) и с амплитудной модуляцией (AM).


Рисунок 5- Помехоустойчивость систем связи с ШПС: ЧМ и АМ


Для сравнения ЧМ и ШПС взяты одинаковые полосы частот, что соответствует В=100. Помехоустойчивость системы связи с ШПС рассчитана согласно (12), причем положено, что информация передается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Известно, ЧМ обладает высокой помехоустойчивостью и обеспечивает высокое качество воспроизведения информации при условии, что отношение сигнал-помеха на входе выше порогового значения = 10...15 дБ. При уменьшении р2 ниже порогового значения помехоустойчивость системы связи с ЧМ резко падает. Система с AM и эквивалентной базой В=1 работает лишь при р2 > 0 дБ, зависимость q2 от р2 линейная. Система связи с ШПС обеспечивает надежный прием информации и при р2 < 0 дБ. Например, если положить q2= 10 дБ, то система связи будет работать при отношении сигнал-помеха на входе -13 дБ, т.е. р2=0,05. Таким образом, одним из основных назначений систем связи с ШПС является обеспечение надежного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приемника р2 может быть много меньше единицы [1].

Необходимо еще раз отметить, что приведенные соотношения строго справедливы для помехи в виде гауссовского случайного процесса с равномерной спектральной плотностью мощности («белый» шум).


2.3 Скрытность системы связи


Это способность противостоять обнаружению и измерению параметров. Скрытность - понятие очень емкое, так как включает в себя большое множество особенностей обнаружения ШПС и измерения их параметров. Поскольку обнаружение ШПС и измерение параметров возможны при различной первоначальной осведомленности (априорной неопределенности) о системе связи, то можно указать только основные соотношения, характеризующие скрытность. Когда известно, что в данном диапазоне частот может работать система связи, но параметры ее неизвестны, то в этом случае можно говорить об энергетической скрытности системы связи, так как ее обнаружение возможно с помощью анализа спектра (энергетическое обнаружение). Характеристика обнаружения (вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала) полностью определяется отношением сигнал-помеха на входе приемника-анализатора р2=, где помеха представляет собой собственный шум приемника , a k - постоянная Больцмана, - температура окружающей среды, - коэффициент шума приемника. Время обнаружения ШПС при условии р2 << 1 приближенно определяется соотношением


,(16)


где размерная постоянная зависит как от шумовых свойств приемника, мощности сигнала на входе, так и от требуемого отношения сигнал-помеха на выходе q2. Таким образом, чем шире ширина спектра ШПС, тем больше время обнаружения, тем выше энергетическая скрытность системы связи.

Если ШПС системы связи воспроизводятся приемником-анализатором уверенно, то время анализа приближенно определяется соотношением, аналогичным по виду соотношению (16), но , b - постоянная величина. Чем шире спектр ШПС, тем больше база, тем больше время анализа, тем выше параметрическая скрытность системы связи.

Таким образом, чем шире спектр ШПС и чем больше его база, тем выше как энергетическая, так и параметрическая скрытность. Для борьбы с радиоразведкой в помехозащищенных системах связи применяют также смену ШПС. Частота смены ШПС, их выбор из некоторого ансамбля (системы сигналов) определяется многими требованиями к системе связи и не может быть однозначно определен. Однако полагают, что число сигналов в системе (или объем системы сигналов) должно быть много больше базы ШПС. Можно предположить, что для помехозащищенных систем связи объем системы сигналов L определяется степенным законом:


L~Bm,(17)


где m - некоторое число, по крайней мере удовлетворяющее условию m ? 2, хотя для работы может использоваться гораздо меньшее число ШПС.

Следовательно, использование ШПС повышает помехоустойчивость и скрытность системы связи, т.е. её помехозащищенность. Как следует из материалов зарубежной печати, ШПС используют в спутниковых системах связи, в авиационных системах связи, в радиорелейных линиях, в спутниковых навигационных системах. По-видимому, применение ШПС в помехозащищенных системах связи будет расширяться.


2.4 Борьба с многолучевостью


Применение ШПС в системах связи позволяет бороться с многолучевостью распространения радиоволн. Многолучевость возникает в том случае, если радиоволны приходят в точку приема, отразившись от различных препятствий на пути распространения (слои ионосферы, здания, холмы и т.п.). Из-за различия в длине пути эти радиоволны приходят с различным запаздыванием. В результате, если сигналы, пришедшие по разным путям, перекрываются во времени, то между ними возникает интерференция, которая в свою очередь вызывает глубокие замирания результирующего сигнала. Обычно для компенсации замираний предусматривают увеличение мощности сигнала на 20 дБ. Иначе обстоит дело при использовании ШПС, поскольку при обработке ШПС согласованным фильтром происходит сжатие ШПС по времени, что иллюстрируется рисунке 6. На рисунке 6 (а) изображен ШПС с частотной модуляцией длительностью Т. На рисунке 6 (б) изображено напряжение на выходе согласованного фильтра - отклик фильтра на ШПС. Этот отклик называется автокорреляционной функцией (АКФ) ШПС. Хотя АКФ имеет длительность 2T, то в ней можно выделить две резко отличающиеся структуры. В центре АКФ резкий выброс в виде узкого импульса, называемого центральным пиком. Его амплитуда равна V, а длительность


.(18)


Чем шире спектр ШПС, тем короче центральный пик. Вторую область составляют боковые пики с максимальным значением . Шумоподобные сигналы с большими базами обладают свойствами, которые записываются двумя соотношениями:


,(19)

(20)


где б - некоторая постоянная, в общем случае зависящая от базы В.


Рисунок 6- Шумоподобный сигнал (а), автокорреляционная функция (б) и разделение лучей (в)


Соотношение (19) определяет сжатие ШПС - отношение длительности ШПС Т к длительности центрального пика. Сжатие ШПС равно, примерно, базе. Поэтому при T=const увеличение F приводит к уменьшению длительности центрального пика и к увеличению сжатия.

Соотношение (20) характеризует подавление боковых пиков. Оно равно отношению амплитуды центрального пика V к амплитуде максимального бокового пика . Чем больше база, тем больше подавление боковых пиков. И в пределе АКФ ШПС с ростом базы стремится к узкому дельта-импульсу. Такую АКФ имеет широкополосный шум, что и послужило причиной названия - «шумоподобные сигналы».

На рисунке 6 (в) изображен отклик согласованного фильтра на несколько ШПС, пришедших по различным путям. Если задержка между лучами ?t больше длительности центрального пика , то лучи разделяются и центральные пики различных лучей можно разделить один от другого, а затем и объединить, устранив задержку между ними. Такой принцип борьбы с многолучевостью был использован в одной из первых систем связи с ШПС «RAKE». Таким образом, условие ?t > обеспечивает разделение лучей. Поскольку и F связаны соотношением (18), то условие разделения лучей записывается следующим образом:


F?t > 1.(21)


Например, если при распространении радиоволн существуют два луча - прямой и отраженный от некоторого объекта, то задержка , где с- скорость света, R - расстояние между передатчиком и приемником, d - расстояние между отражающим объектом и прямым лучом. В этом случае необходимо использовать ШПС с шириной спектра


(22)


Чем больше d, тем меньше F. Может оказаться, что при малых d могут потребоваться ШПС с очень широкими спектрами, что не всегда можно реализовать на практике.


2.5 Измерение координат подвижных объектов


Применение ШПС позволяет совместить системы передачи информации и системы траекторных измерений. При измерении параметров движения объекта наибольший интерес представляют расстояние между приемником и передатчиком и их относительная скорость. Расстояние измеряется по задержке во времени, а скорость - по доплеровскому смещению частоты. Точность измерения и разрешающая способность по задержке определяются отношением сигнал-помеха q2 и шириной спектра сигнала и характеризуются ошибкой


.(23)


Чем больше q и F, тем меньше ошибка в измерении задержки, тем выше точность измерения и разрешающая способность по расстоянию. Точность измерения доплеровского смещения частоты определяется отношением сигнал-помеха q2 и длительностью сигнала и характеризуется ошибкой


.(24)


Чем больше q и Т, тем меньше ошибка в измерении доплеровского сдвига частоты, тем выше точность измерения и разрешающая способность по скорости. Из (23), (24) следует, что при совместном измерении расстояния и скорости необходимо использовать ШПС, так как только для ШПС можно независимо изменять и ширину спектра F и длительность Т. В системах связи длительность Т обычно определяется скоростью передачи информации. Поэтому повышения точности измерения расстояния можно достигнуть расширением спектра F, т.е. используя ШПС.


3. Радиолокационные станции


.1 Основные понятия и определения


Радиолокацией называют область науки и техники, объединяющую методы и средства обнаружения, измерения координат и параметров движения, а также определения свойств и характеристик различных объектов (радиолокационных целей), основанных на использовании радиоволн, излучаемых, ретранслируемых либо отражаемых (рассеиваемых) этими объектами. Процесс обнаружения объектов, измерения их координат и параметров движения называют радиолокационным наблюдением (иногда радиолокацией цели), а используемые для этого системы - радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами, радарами.

В зависимости от природы возникновения электромагнитных волн, достигающих антенны РЛС и доставляющих информацию об объекте радиолокационного наблюдения, различают активную, полуактивную, активную с активным ответом и пассивную радиолокацию.

При активной радиолокации сигнал, принимаемый приемником РЛС, создается в результате отражения (рассеяния) объектом электромагнитных колебаний, излучаемых антенной РЛС и облучающих объект. Сигнал, излучаемый антенной РЛС, называют прямым или зондирующим, а принимаемый приемной антенной РЛС - отраженным или радиолокационным. Таким образом, при активной радиолокации применяют передатчик в составе РЛС и работают с отраженным (рассеянным) сигналом.

При полуактивной радиолокации носителем информации также является сигнал, отраженный объектом, но источник облучающих объект радиоволн вынесен относительно приемника РЛС и может действовать независимо от него. Передающее устройство, облучающее цель, может быть расположено, например, на земле или корабле, а приемное, использующее отраженный сигнал, - на ракете, направленной на цель. Возможность обнаружения объектов, не являющихся источниками радиоизлучения, - достоинство активного и полуактивного методов радиолокации.

При активной радиолокации с активным ответом применяют сигнал, ретранслируемый (переизлучаемый) специальным приемопередатчиком (ответчиком), установленным на объекте. Приемник ответчика принимает сигнал РЛС, который вызывает генерирование и излучение ответного сигнала. Ответный сигнал может иметь мощность значительно большую, чем отраженный, поэтому применение активного ответа позволяет существенно повысить дальность действия и помехозащищенность системы. Кроме того, ответный сигнал может быть использован для передачи дополнительной информации с объекта (например, бортового номера самолета, его высоты и др.). С помощью ответчика решается и задача опознавания объекта, т.е. отличия «своих» самолетов или кораблей от «чужих». Принцип активного ответа широко применяется в радионавигации и радиоуправлении, например в радиосистемах ближней навигации (РСБН) и системах управления воздушным движением (УВД).

В пассивной радиолокации сигналом, принимаемым РЛС, является естественное излучение объектов в радиодиапазоне преимущественно теплового происхождения, поэтому пассивную радиолокацию называют также радио-теплолокацией. Таким образом, в этом случае, так же как и в активной радиолокации, для обнаружения объектов и определения их координат применяют радиосигнал. Однако природа сигнала при этом иная - зондирование (облучение) объекта отсутствует, и поэтому одна РЛС может определить лишь направление (пеленг) на объект, т.е. осуществить радиопеленгование последнего. Поэтому пассивная радиолокация тесно связана с радиопеленгацией - отраслью радионавигации, основанной на использовании методов и средств определения направления на объекты, имеющие источники радиоизлучения.

Таким образом, основой радиолокационного обнаружения, определения координат и их производных, а возможно, и некоторых других характеристик (размеров, формы, физических свойств) объектов является радиосигнал, отраженный, переизлученный или излученный объектами наблюдения. В активной радиолокации источник электромагнитных колебаний - передающее устройство РЛС. Но электромагнитные колебания зондирующего сигнала становятся носителем информации об объекте, т.е. радиолокационным сигналом, лишь после их отражения (рассеяния) объектом наблюдения. Однако от вида и параметров зондирующего сигнала (энергии, несущей частоты, длительности и ширины спектра) зависят основные характеристики РЛС: дальность действия, точность определения координат и скорости объектов, разрешающая способность, т.е. тот объем информации, который может быть получен при обработке радиолокационного сигнала. В общем случае напряжение модулированного сигнала можно записать в комплексной форме:


, (25)


где S(t) - закон амплитудной модуляции,

Ф(t) = [2рf0t + ц (t)+ ц0] - закон фазовой модуляции,

ц (t) - закон угловой модуляции.

Под зондирующим обычно понимают сигнал, излучаемый антенной, поэтому его модуляция оказывается связанной также с параметрами антенной системы и ее движением. Так, при повороте оси диаграммы направленности антенны (ДНА) относительно направления на объект амплитуда сигнала изменяется, т.е. появляется дополнительная амплитудная модуляция, параметры которой зависят от ширины и формы ДНА, а также скорости ее поворота. Антенная система определяет также поляризацию зондирующего сигнала. В современных РЛС применяют линейную и круговую поляризацию. Если отражающий объект попадает в зону облучения РЛС (в пределы ширины ДНА), то создается отраженный сигнал, несущий информацию об объекте. Факт приема сигнала свидетельствует об обнаружении объекта, а амплитуда, фаза, частота, вид поляризации, время задержки относительно зондирующего сигнала и направление прихода сигнала к приемной антенне позволяют оценить координаты объекта, параметры его движения, а при наличии нескольких объектов - разделить их, выделить объект с требуемыми свойствами и т.д.


3.2 Классификация радиолокационных систем, их тактические и технические характеристики


Радиолокационные станции классифицируют по следующим признакам:

1. происхождению радиосигнала, принимаемого приемником РЛС: активные РЛС (с активным и пассивным ответом), полуактивные и пасивные РЛС;

. используемому диапазону радиоволн: РЛС декаметрового, метрового, дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов);

. виду зондирующего сигнала: РЛС с непрерывным (немодулированным или частотно-модулированным) и импульсным (некогерентным, когерентно-импульсным с большой и малой скважностью, с внутриимульсной частотной или фазовой модуляцией) излучением;

. числу применяемых каналов излучения и приема сигналов: одноканальные и многоканальные с частотным или пространственным разделением каналов;

. числу и виду измеряемых координат: одно-, двух- и трехкоординатные;

. способу измерения, отображения и съема координат объекта;

. месту установки РЛС: наземные, корабельные, самолетные, спутниковые;

. функциональному назначению РЛС: малогабаритные, переносные РЛС, измерения скорости автомобилей, наземные РЛС систем противовоздушной (ПВО) и противоракетной (ПРО) обороны.

Перечислим основные типы наземных, корабельных и самолетных РЛС различного назначения.

Основные типы наземных РЛС:

. обнаружения воздушных целей и наведения на них истребителей;

. управления воздушным движением (обзорные и диспетчерские);

. обнаружения и определения координат баллистических ракет (БР) и искусственных спутников Земли (ИСЗ);

. целеуказания станциям управления зенитной артиллерией и наведения зенитных управляемых ракет (ЗУР);

. управления зенитной артиллерией и ЗУР;

. обнаружения минометов;

. метеорологические;

. обзора акватории порта;

. обзора летного поля;

. обнаружения и определения скорости наземных движущихся объектов.

Основные типы корабельных РЛС:

. обеспечения кораблевождения;

. обнаружения надводных объектов и низколетящих
летательных аппаратов, определения их координат;
. обнаружения и определения координат высоколетящих самолетов;

. управления ЗУР и зенитной артиллерией;

.обнаружения и определения координат БР и ИСЗ.

Основные типы самолетных РЛС:

. радиолокационные дальномеры;

. радиовысотомеры;

. доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса самолета;

. РЛС обнаружения самолетов и предотвращения столкновений;

. панорамные РЛС обзора земной поверхности;

. РЛС бокового обзора (в том числе и с синтезированным раскрывом антенны);

. РЛС перехвата и прицеливания;

. РЛС наведения управляемых ракет;

. радиолокационные взрыватели.

Приведенная классификация включает далеко не все используемые типы РЛС. Однако и перечисленных типов достаточно для характеристики широты и многообразия применения радиолокационных средств.


3.3 Обоснование путей развития РЛС со сверхширокополосными сигналами


Большинство традиционных радиотехнических систем работает в относительно узкой полосе частот и в качестве несущего колебания для передачи информации использует гармонические (синусоидальные) сигналы. Причина проста: синусоида является собственным колебанием LC контура - наиболее элементарной и потому самой распространенной электрической колебательной системы. А резонансные свойства этой системы позволяют легко выполнять частотную селекцию большого числа информационных каналов, работающих в общей среде (пространство, проводная или оптическая линия связи). Поэтому частотная селекция является сегодня основным способом разделения этих каналов, а большинство радиотехнических систем являются узкополосными и работают в полосе частот, намного меньшей, чем их несущая частота. Вся теория и практика современной радиотехники основана на этой особенности. Однако хорошо известно, что именно ширина полосы частот определяет информативность радиотехнических систем, поскольку количество информации, передаваемой в единицу времени, прямо пропорционально этой полосе. Для повышения информационных возможностей системы необходимо расширять ее полосу частот. Альтернативой может быть только увеличение времени передачи информации. В связи со стремительной информатизацией общества и постоянным увеличением информационных потоков эта проблема становится все более актуальной как для радиосвязи, так и для радиолокации. Актуальность проблемы и определила быстрое развитие в последние годы технологий, использующих сверхширокополосные (СШП) сигналы. Проблема перехода к СШП сигналам особенно актуальна для радиолокации. Дело в том, что обычные радары с полосой частот, не превышающей 10% от несущей частоты, позволяют только обнаруживать цель и выдавать ее координаты (с относительно невысокой точностью), но не позволяют получить образ цели или ее изображение. Поэтому сегодня на практике для увеличения информации о наблюдаемом объекте принимаются дополнительные меры. Чтобы повысить информативность радара иногда вводится, так называемый, режим распознавания типа цели, который еще не дает ее изображения, но позволяет по некоторым признакам («портрету») после соответствующей обработки получить дополнительную информацию. Переход к этому режиму уже требует существенного увеличения полосы частот радара и, как следствие, новых подходов, как в методах, так и в технологиях. Дальнейшее увеличение полосы частот и переход к СШП сигналам, позволяет еще больше увеличить количество информации о цели и перейти к получению ее радиоизображения. Повышение информативности радара при использовании сигналов со сверхширокой полосой частот происходит благодаря уменьшению импульсного объема по дальности. Так, при уменьшении длительности излучаемого импульса с 1 мкс до 1 нс глубина импульсного объема радара уменьшается с 300 м до 30 см. Можно сказать, что инструмент, который исследует пространство, становится значительно более тонким и чувствительным. В результате уменьшения импульсного объема СШП радар приобретает ряд новых качеств:

повышается точность измерения расстояния до цели и разрешающая способность по дальности; в результате повышается разрешающая способность радара по всем координатам, поскольку разрешение целей по одной координате не требует их разрешения по другим координатам;

уменьшается "мертвая зона" радара;

производится распознавание класса и типа цели, а также получается радиоизображение цели, поскольку принятый сигнал несет информацию не только о цели в целом, но и об ее отдельных элементах;

повышается устойчивость радара к воздействию всех видов пассивных помех - дождя, тумана, подстилающей поверхности, аэрозолей, металлизированных полос и т.п., поскольку эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР цели;

повышается устойчивость радара к воздействию внешних электромагнитных излучений и помех;

повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет увеличения ЭПР цели;

повышается вероятность обнаружения и устойчивость сопровождения цели за счет устранения лепестковой структуры вторичных ДН облучаемых целей, так как колебания, отраженные от отдельных частей цели не интерферируют;

повышается устойчивость сопровождения цели под низким углом места за счет устранения интерференционных провалов в диаграмме направленности (ДН) антенны, поскольку сигнал, отраженный от цели и сигнал, переотраженный от земли, разделяются во времени, что позволяет произвести их селекцию;

появляется возможность изменения характеристик излучения (ширины и формы диаграммы направленности) путем изменения параметров излучаемого сигнала; в том числе появляется возможность получить сверхузкую ДН;

повышается скрытность работы радара.

Однако процесс радиолокационного наблюдения при использовании СШП сигналов значительно отличается от аналогичного процесса при использовании традиционных узкополосных сигналов. Это происходит в тех случаях, когда пространственная длительность сигнала становится меньше апертуры антенны или размеров цели. Отличия и особенности проявляются практически на всех этапах: при формировании СШП сигнала, его излучении, отражении от цели, приеме и обработке.

Основными из этих отличий являются:

изменение формы радиолокационного сигнала в процессе наблюдения за целью. В традиционном, узкополосном радаре сигнал, отраженный от цели, остается по своей форме близким к излученному сигналу. В СШП радаре сигнал существенно изменяется при излучении, отражении от цели и приеме. В результате форма принятого сигнала становится полностью неизвестной. Это не позволяет использовать традиционные методы согласованной обработки сигнала.

зависимость характеристик антенны от формы сигнала и наоборот - формы сигнала в пространстве от угловых координат. Эта зависимость приводит к тому, что характеристики антенны по полю (ширина и положение главного луча, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления) изменяются во времени, становятся нестационарными. Форма диаграммы направленности приемной антенны зависит от направления на передающую антенну. Все это не позволяет использовать традиционные методы определения характеристик антенн. В тоже время появляется возможность управления характеристиками антенны путем изменения параметров сигнала.

изменение величины эффективной поверхности рассеяния цели во времени. В результате появляются трудности в использовании известных методов определения величина отраженного от цели сигнала. Эта величина теперь зависит от вида обработки сигнала в приемнике радара.

изменение формы канонического уравнения дальности для определения характеристик СШП радара. Поскольку ряд величин, входящих в уравнение дальности, зависит от времени и от формы сигнала, то и дальность действия радиолокатора также становится связанной с этими параметрами. Использование традиционного уравнения дальности не позволяет определить характеристики СШП радара.

Указанные особенности и отличия создают трудности при расчете и проектировании СШП радаров, поскольку часто не позволяют воспользоваться существующей теорией и известными методами при формировании требований к радарам и их элементам. В результате методы проектирования и расчета СШП радаров, также как и методы их исследования значительно отличаются от методов, используемых в традиционных узкополосных системах. В этом плане применение в радиолокации СШП сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами теоретического анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.

Первой областью их применения должно было стать обнаружение малозаметных целей, где ожидалось их заметное преимущество по сравнению с обычными узкополосными РЛС. Второй областью применения СШП радаров является обнаружение и наблюдение объектов на коротких дистанциях, составляющих единицы и десятки метров. Это радары, обнаруживающие объекты в плотных средах (почва, лед) и радары, обнаруживающие объекты в воздухе. Практическая потребность в этом классе радаров очень большая. Третья область применения СШП радаров - это получение радиоизображения за счет существенного увеличения количества и повышения качества информации. Такие радары получат также широкое применение, но в более отдаленной перспективе. Сегодня СШП сигналы используются для получения радиоизображения пока только в радарах с синтезированной апертурой, установленных на воздушных носителях. Эти радары предназначаются, как правило, для картографирования местности и для поиска на местности различных объектов, скрытых растительностью или замаскированных иным образом. Четвертая область применение СШП радаров - это контроль акваторий, аэропортов, лесных массивов, территорий различного назначения. Они обеспечивают не только высокое разрешение целей, но и большую устойчивость при работе в пассивных и активных помехах. Не менее актуально использование СШП сигналов в радиосвязи. Их использование позволяет организовать работу нескольких независимых каналов связи в одной и той же полосе частот [8].



Заключение


Основные результаты курсовой работы заключаются в следующем:

Произведён анализ основных видов сложных сигналов: сигналов с линейной частотной модуляцией, фазоманипулированных сигналов;

Произведён анализ широкополосных систем связи: помехоустойчивость ШСС, их скрытность, возможность применения их для борьбы с многолучевостью, измерение с их помощью координат подвижных объектов.

Произведена классификация радиолокационных систем, их тактических и технических характеристик;

Сделано обоснование основных путей развития радиолокационных систем со сложными сигналами, доказана необходимость их развития и приведены примеры их использования.



Список использованных источников


1 Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.: ил.

Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и декодирование сложных дискретных сигналов / Под ред. В.И. Коржика. - М.: Радио и связь, 1988. - 224 с.: ил.

Помехозащищённость радиосистем со сложными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова. - М.: Радио и связь, 1985. - 264 с.: ил.

Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. Пер. с англ / Под ред. К.Ш. Зигангирова. - М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.: ил.

Дж. Прокис Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.: ил.

Аджемов С.С. Помехоустойчивость сверхширокополосной радиосвязи посредством сложных сигналов, генерируемых путём модуляции спектральных составляющих расширяющей псевдослучайной последовательности / Ю.В. Гуляев // Радиотехника. - 2010, - №4. - С. 32-37.

Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.: ил.

Гряник В.Н., Павликов С.Н. Теория и техника радиолокации и радионавигации. - Владивосток: ВГУЭС, 2009. - 132 с.

Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.: ил.

Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.Н. Расчёт помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник. - М.: Радио и связь, 1981. - 232 с.


КУРСОВАЯ РАБОТА Исследование принципов построения и путей совершенствования радиолокационных систем с

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ