Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА» (РЛ) КАФЕДРА «РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА» (РЛ-1) РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ НА ТЕМУ: Исследование алгоритмов завязки траектории Студент ____РЛ1-101____ _________________ ____Семерня Д.Е____ (Группа) Руководитель (Подпись, дата) _________________ ____Семенов А.Н.___ (Подпись, дата) Консультант (И.О.Фамилия) (И.О.Фамилия) _________________ ____Семенов А.Н.___ (Подпись, дата) 2021 г. (И.О.Фамилия) РЕФЕРАТ Отчет 49 с., 34 рис., 4 источника. Объектом исследования является лабораторный стенд радиолокационной станции. Цель работы – получение навыков работы с радиолокатором и запись сигналов для последующих работ. Осуществление алгоритма первичной обработки данных и алгоритма вторичной обработки радиолокационных данных. Исследовать характеристики алгоритма завязки M/N. 2 СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ ................................................................................................................. 2 СОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................... 3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ..................................... 4 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 5 1. Выбор типа антенной системы .......................................................................... 6 2. Моделирование печатной антенны ................................................................... 8 3. Расчет параметров антенной системы .. Ошибка! Закладка не определена. 4. Определение числа лучей ДН в секторе обзора............................................. 16 5. Оценка диапазона однозначного измерения дальности и скорости ............ 17 6. Определение максимальной дальности работы РЛС .Ошибка! Закладка не определена. 7. Построение функции неопределенностиОшибка! Закладка не определена. 8. Методы однозначного измерения дальности ..............Ошибка! Закладка не определена. 9. Модель зондирующего сигнала ............. Ошибка! Закладка не определена. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 18 Список использованных источников .................................................................. 20 3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ АР – антенная решетка АФР – амплитудно-фазовое распределение ДН – диаграмма направленности КИП – коэффициент использования поверхности КНД – коэффициент направленного действия КСВН – коэффициент стоячей волны КУ – коэффициент усиления ЛЧМ – линейная частотная модуляция РЛС – радиолокационная станция САПР – система автоматизированного проектирования ТЗ – техническое задание ТТХ – тактико-технические характеристики УБЛ – уровень боковых лепестков ФАР – фазированная антенная решетка ФКМ – фазо-кодовая манипуляция ФН – функция неопределенности ЭМВ – электромагнитная волна 4 ВВЕДЕНИЕ 5 1 Описание радиолокационной системы При проведении экспериментов использовался лабораторного стенд РЛС. Структура лабораторного стенда, представленная на рисунке 1, выполнена в соответствии со схемой простейшего радиолокатора с частотно- модулированным зондирующим сигналом (ЧМ ЗС) Рисунок 1 – Структурная схема стенда РЛС В таблице 1 представлено соответствие структурных элементов на схеме с аналогами, применяемыми в лабораторном стенде, а также часть электрических параметров устройства. В режиме измерения дальности на вход ГУН подается пилообразное напряжение с периодом Tм, на выходе смесителя наблюдается сигнал с частотой биений Fб, в котором заложена дальность до цели. При любом режиме работы низкочастотный сигнал с выхода смесителя поступает на последующие каскады усилителя низкой частоты (УНЧ) и фильтра нижних частот (ФНЧ), после чего подается на стереоканал микрофона компьютерного аудио разъёма. На первый канал подаются синхроимпульсы, обозначающие моменты нарастания и спада модулирующего напряжения в режиме измерения дальности. К сожалению, при считывании данных использовался одноканальный микрофонный вход, в связи с чем появилась необходимость разработки алгоритма, который извлечет информацию о границах периодов импульсов из полезного сигнала. 6 Таблица 1 – Соответствие компонентов схемы со структурными элементами ГУН ZX95-2536C+, Voltage Controlled Oscillator Аттенюатор VAT3+, SMA Fixed Attenuator МШУ ZX60-272LN, Low Noise Amplifier Разветвитель ZX10-2-42+, Power Splitter/Combiner Смеситель ZX05-43MH+, Frequency Mixer wide band Источник питания Батарея, 12 В ГУН ZX95-2536C+, Voltage Controlled Oscillator Плата модуляции, синхронизации, УНЧ, фильтрации и индикации Период излучения Тм, мс 23 Модулирующее напряжение, Uм, В 0…5 Частот дискретизации Fдискр, Гц 44100 В качестве излучателей используются антенны Вивальди. Стенд РЛС представлен на рисунке. Рисунок 1 – Лабораторный стенд РЛС 7 2 Разработка имитационной цели Для получения данных о цели с локатора необходимо разработать имитационную цель, имеющую достаточно большую ЭПР, чтобы отчетливо видеть отметки о цели на расстоянии. В качестве такой цели была выбрана модель восьмигранного секторного уголкового отражателя. Расчет будем проводить на частоте 9,4 ГГц. На этой частоте трехгранный уголковый отражатель будет обладать ЭПР равным 1 м.кв. при длине грани a = 0,125 м, согласно формуле: σ= 4π 3λ2 𝑎4 ; (6) Реальные значения ЭПР будут зависеть от угла, под которым падает волна на цель. Так если смотреть по нормали к одной из плоскостей отражателя, то он будет виден как круг с радиусом a. ЭПР плоскости вычисляется по формуле: σ= 4π 4π3 λ λ2 𝑆2 = 2 𝑎4 ; (6) Согласно этой формуле при длине грани a = 0,125 м ЭПР равно 29,7 м.кв. Таким образом для проведения эксперимента предварительно необходимо приблизительно определить диаграмму обратного вторичного рассеяния восьмигранного секторного уголкового отражателя. Для этого проведем полноволновое электродинамическое моделирование в программе CST Studio Suite и программе FEKO. Результаты моделирования в программе CST Studio Suite показаны на рисунках, а в программе FEKO на рисунках. Пределы измерения углов по азимуту 0…350 град. Пределы измерения углов по углу места 0…20 град. В программе CST Studio Suite использовалась модель идеального восьмигранного секторного уголкового отражателя, а программе FEKO модель, приближенная к реальной: толщина двустороннего фольгированного стеклотекстолита t = 3 мм. 8 Рисунок 1 – Модель восьмигранного секторного уголкового отражателя в программе CST Studio Suite Рисунок 1 – Диаграмма обратного вторичного рассеяния восьмигранного секторного уголкового отражателя, полученная в программе CST Studio Suite 9 Рисунок 1 – Модель восьмигранного секторного уголкового отражателя в программе FEKO Рисунок 1 – Диаграмма обратного вторичного рассеяния восьмигранного секторного уголкового отражателя, полученная в программе FEKO Из графиков можно сделать вывод, что результаты схожи, а также о том, что ЭПР цели может изменяться в диапазоне от 0,1 до 10 м.кв. При этом в небольшом секторе углов по азимуту ±20 град. ЭПР в среднем равен 1 м.кв. Восьмигранный секторный уголковый отражатель был собранная из листов фольгированного стеклотекстолита, показан на рисунке. Для удобства расположения цели было разработано специальное крепление, показанное на рисунке. 10 Рисунок 1 – Восьмигранный секторный уголковый отражатель Рисунок 1 – Крепление для восьмигранного секторного уголкового отражателя 11 3 Алгоритм извлечения синхроимпульсов При формировании сигнала на вход ГУН подается пилообразное напряжение с периодом Tм. При переходе к следующему периоду напряжение резко сбрасывается до минимального значения, из-за чего в результирующем сигнале наблюдается резкое изменение фазы, которое можно обнаружить, в виде сильных всплесков в производной от принимаемого сигнала. Так как период следования ЧМ импульсов изначально известен, то можно провести пороговую обработку с учетом информации о примерном числе импульсов в входной выборке. Примерном число импульсов в входной выборке равно длительности входной выборки, деленной на период следования импульсов. Далее строится гистограмма отсчетов входной выборки. Известно, что частота появления всплесков меньше частоты остальных отсчетов в производной от входного сигнала, поэтому можно сказать, что отсчеты, соответствующие всплескам от перескока, будут находиться в хвосте гистограммы. Предполагая число синхроимпульсов, можно оценить пороговое значение амплитуды производной входного сигнала, которое разделяет шумовые отсчеты от перескоков. На рисунке приведен пример реализации такого алгоритма, голубая вертикальная линия показывает значение порога. Далее применив полученный порог к производной входной выборки, можно получить положения синхроимпульсов, соответствующих всплескам превосходящих порог. На рисунке показаны синхроимпульсы, полученные в результате применения такого алгоритма. Из рисунка можно сделать вывод, что данный алгоритм работает, но при этом допускает значительное число ошибок и пропусков. 12 Для устранения ошибок и пропусков алгоритм был доработан. Вопервых, парные синхроимпульсы заменяются на первый из них. Во-вторых, пропуски устраняются на основании информации о предполагаемом месте расположения следующего синхроимпульса. Результат применения алгоритма коррекции синхроимпульсов показан на рисунке. 13 Полученные синхроимпульсы вместе с производной входной выборки показаны на рисунке. 14 3 Первичная обработка полученных данных 15 4 Адаптивный порог 16 5 Вторичная обработка 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18 Таблица 3 – Характеристики РЛС Параметр Период обзора пространства Тс, с Параметры зоны обзора: нижняя граница обзора по азимуту φmin, град верхняя граница обзора по азимуту φmax, град нижняя граница обзора по углу места θmin, град нижняя граница обзора по азимуту θ max, град Тип сигнала Вероятность правильного обнаружения D Вероятность ложной тревоги F Средняя мощность Pср, Вт Разрешающая способность станции по дальности R, м Разрешающая способность станции по азимуту 𝛿𝜑, град Разрешающая способность станции по углу места 𝛿𝜃, град Эквивалентная шумовая температура приемной части РЛС Tш, К Скважность Q (Qср) ЭПР цели σ, м2 УБЛ для антенной системы 𝜀б.л. , дБ УБЛ по дальности, дБ УБЛ по частоте, дБ 19 Требуемое значение по ТЗ 7 Полученное значение 6,99 0 360 0 360 5 5 65 ФКМ 7 0,56 0,00083 1500 65 ФКМ 7 0,76 0,00083 1500 100 100 4,2 4,2 4,5 4,5 560 560 9 0,8 -28 -17 -25 9 0,8 -28 -23 -43,3 Список использованных источников 1 Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М.: «Советское радио», 1970. 2. Информационные технологии в радиотехнических системах: учебное пособие / В.А. Васин, B.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; под ред. И.Б. Федорова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 672 с.: ил. 3. Radar signals / Nadav Levanon, Eli Mozeson. John Wiley & Sons Inc. (2004). 4. Микроволновые антенны: (антенны сверхвысоких частот) / Р. Кюн ; ред. М.П. Долуханов ; пер. В.И. Тарабрин, Э.В. Лабецкий. – б.м. : Судостроение, 1967. – 520 с. 20
