Список использованных источников.

МИНОБРНАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Радиотехнические устройства»

Курсовая работа

по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы в СУСП»

«Теоретический анализ сигналов в работе РЛС»

Вариант №9

Выполнил: студент III-ИТ-9

Котельников А.Ю.

Принял: к.т.н., доцент

Нечаев А.С.

Самара, 2018

Реферат

Курсовая работа представляет собой анализ детерминированных сигналов в работе РЛС.

Цели работы:

1) Изучение временных и спектральных характеристик радиосигналов

2) Приобрести навыки расчетов временных и спектральных моделей сигналов.

3) Получение навыков расчетов для дискретизации и оцифровки сигналов.

Ключевые слова: РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ (РЛС), ДИСКРЕТИЗАЦИЯ, ТЕОРЕМА КОТЕЛЬНИКОВА, КВАНТОВАНИЕ, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(АЦП).

В курсовой работе 22 страницы, 7 рисунков, 7 источников.

Содержание

Введение…………………………………………………………………….4

Теоретическая часть………………………………………………………..5

Расчетная часть……………………………………………………………16

Заключение………………………………………………………………..21

Список использованных источников……………………………………22

Введение

Тематика курсовой работы связана с анализом детерминированных сигналов, применяемых в системах радиолокации.

Целями работы являются:

¾ Изучение временных и спектральных характеристик радиосигналов, применяемых в радиолокации, радионавигации, радио телеметрии и смежных областях;

¾ Приобрести навыки расчетов временных и спектральных моделей сигналов с нелинейной модуляцией;

¾ Приобретение навыков по расчету и анализу корреляционных и спектральных характеристик детерминированных сигналов (автокорреляционных функций, энергетических спектров).

Теоретическая часть.

Радиолокация - обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью радиотехнических устройств. Принцип действия радиолокации состоит в обнаружении и регистрации вторичных радиоволн, отраженных (рассеянных) наблюдаемыми объектами, волнами радиолокационного передатчика. Приём вторичных радиоволн направленной антенной позволяет определять угловое положение объектов относительно радиолокатора, а измерение времени запаздывания отраженных сигналов по отношению к сигналам передатчика – удаление объектов от радиолокатора.

Уравнение для мощности принятого сигнала:

где Pt- излучаемая мощность, Gt - усиление антенны на передачу, s - эфф. площадь рассеяния (ЭПР) объекта, А r - эфф. площадь поглощения приёмной антенны, R - дальность объекта радиолокации.

Первая радиолокационная станция была разработана во время Второй мировой войны. Сегодня на рынке представлены РЛС, подходящие для использования на всех типах судов, включая и небольшие рыболовецкие, и прогулочные суда. Несмотря на то, что среди владельцев маломерных судов популярностью пользуются и такие судовые устройства, как навигационные эхолоты и GPS-приемники, радиолокационная станция остается одним из наиболее важных навигационных средств. Именно она способна обеспечить безопасность навигации в полной темноте или в тумане.

Возьмем, например, прокладчик курса. Он может показать только приблизительное местонахождение объекта, в то время как радиолокационная станция точно покажет, где находятся те или иные объекты, в том числе береговая линия, движущиеся суда, маяки и буи. РЛС решит проблему и в случае, когда объекты не нанесены на карту: судоводитель будет предупрежден о возможном препятствии на его пути.

Назначение РЛС.

Главная функция любой радиолокационной станции — предупреждение столкновений. Также она обеспечивает информированность судоводителя о местонахождении судов, берега и других объектов. Среди остальных функций РЛС можно выделить следующие:

1. Судовождение в любых условиях освещенности. В полной темноте и в условиях ограниченной видимости радиолокационная станция может стать "глазами" судоводителя, что позволит ему контролировать движение собственного судна и других судов, а также расположение различных объектов, которые могут встретиться на пути судна.

2. Анализ движение других судов. Функция отображения следов в виде послесвечения позволяет оценить движение всех целей относительно собственного судна. Некоторые современные модели радиолокационных станций также могут отображать истинное движение целей, что еще больше повышает безопасность судоходства. К таким РЛС относится, например, радиолокационная станция Furuno FR-7062.

3. Ведение судна в определенное судоводителем место
Владельцы небольших судов (рыболовных и прогулочных) используют радиолокационные станции также для того, чтобы добраться в определенные районы, например, к излюбленному месту рыбной ловли. Напоминающее карту изображение на экране РЛС позволяет идти непосредственно к выбранной путевой точке и дополняет изображения прокладчика курса.

4. Прием сигналов радиолокационного маяка. Радиолокационная станция может принимать импульсные сигналы от радиолокационного маяка для определения местоположения своего судна.

Как РЛС отображает цели.

Радиолокационные цели отображаются на так называемом индикаторе кругового обзора (ИКО). По сути, это диаграмма направленности антенны в полярных координатах, в середине которой расположено передающее импульсы судно. Эхосигналы от целей принимаются и отображаются в направлении, соответствующем относительному пеленгу, на расстоянии от центра ИКО, соответствующем их удалению от своего судна. Ранние модели РЛС отображали цели, а также лишь некоторые графические данные, например, курсовую черту и кольца дальности. Чтобы увидеть изображение на экране, нужен был специальный козырек для защиты от световых помех.

Почти все более поздние модели РЛС используют ЖК-дисплеи или мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Дисплеи такого типа обеспечивают стабильное, яркое, нетемнеющее отображение радиолокационных эхосигналов на монохромном или цветном экране в зависимости от модели. Изображение хорошо видно даже при ярком солнечном свете. На экране отображается различная информация в цифровом формате, чтобы пользователь всегда имел полное представление об окружающей навигационной обстановке.

Основные методы радиолокации. Наибольшее распространение получила активная импульсная Радиолокация. Вследствие того, что излучение зондирующего импульса заканчивается раньше прихода отражённого сигнала, для передачи и приёма в импульсных РЛС служит одна и та же антенна. Укрупнённая блок-схема РЛС изображена на рис.1. Широкое применение в передающих устройствах РЛС нашли магнетроны, однако в большинстве современных РЛС передатчик построен по схеме усилителя электрических колебаний (с выходным каскадом на клистроне или лампе бегущей волны )и имеет задающий ВЧ-генератор, служащий также источником гетеродинного напряжения приёмника, а процессор сигнала представляет собой цифровое устройство, на которое принятые сигналы поступают после аналогово-цифрового преобразователя. Устройство отображения выполняется обычно на приёмных электронно-лучевых трубках и даёт наглядную координатную и дополнит. информацию о наблюдаемых объектах, контролируемых зонах пространства и имеющихся помехах (напр. гидрометеорах). Направление на объект радиолокации в РЛС с механически управляемой антенной определяют по угловому её положению, при котором величина принимаемого сигнала достигает максимума; в РЛС с электронно-управляемым лучом вместо углового положения антенны измеряют угловое положение луча относительно нормали к раскрыву антенны.

Рис. 1. – Укрупненная блок-схема РЛС

Макс. дальность R_макс обнаружения может быть выражена через энергию зондирующего сигнала E_t, для которого приёмник представляет собой согласованный фильтр:

где Е_ш- энергия шума в приёмной системе, r - отношение сигнала к шуму, обеспечивающее обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог,

h < 1 - коэффициент потерь полезной энергии.

Вероятность обнаружения D и вероятность ложных тревог F_{л. т.} - связанные параметры. Простейший вид эта связь имеет для обнаружения по одному импульсу сигнала с рэлеевским распределением амплитуды:

Требуемая энергия зондирования может быть сосредоточена в одном импульсе или в группе из n когерентных импульсов (т. е. импульсных "вырезок" из единого синусоидального колебания; при этом напряжение сигнала на выходе возрастает в n раз в сравнении с одним импульсом). Возможно также увеличить энергию сигнала за счёт некогерентного интегрирования импульсов на видеочастоте; в этом случае не потребуется поддержания определённых фазовых соотношений между импульсами на высокой и промежуточной частотах, но напряжение на интеграторе будет возрастать только как В теории радиолокации доказывается, что существует оптимальный приём, при котором достигается наибольшее возможное при данной энергетике превышение сигнала над шумом на выходе "согласованного фильтра" ( фильтра электрического, импульсная характеристика которого является "зеркальным отражением" на оси времени). Когерентный приём позволяет приблизить энергетику РЛС к теоретическому пределу.

При когерентном приёме может существенно проявляться отличие несущей частоты отражённого подвижным объектом сигнала от частоты облучающего сигнала. Эта разность, называемая доплеровским сдвигом частоты, где u_p- радиальная скорость объекта, l - длина волны (см. Доплера эффект). При длительности пачки t_к когерентно накопляемых импульсов полоса частот пачки и полоса доплеровского фильтра равны Df_к = 1/t_к. При f_д > Df_к возможно выделять сигналы подвижных объектов на фоне неподвижных предметов или земной поверхности, находящейся на той же дальности. РЛС, использующие данный эффект, называются импульсно-доплеровскими. В радиолокации применяется и другой способ выделения сигналов подвижных объектов на фоне мешающих отражений - селекция движущихся целей, основанная на через-периодном вычитании последовательно принимаемых сигналов на промежуточной частоте.

По характеру функционирования радиолокаторы разделяются на 2 основных класса: РЛС обзора и РЛС сопровождения. РЛС обзора периодически зондируют все угловые направления сектора ответственности, обнаруживают движущиеся объекты и прокладывают трассы их движения в проекции на земную поверхность (двухкоординатные РЛС) или в пространстве (трёхкоординатные РЛС). Период осмотра пространственного сектора пропорционален ср. мощности зондирующих сигналов РЛС. РЛС сопровождения в течение всего рабочего цикла измеряет координаты движущихся относительно РЛС объектов. Многофункциональные РЛС совмещают обзор и сопровождение. В полной мере многофункциональность реализуется в РЛС с фазируемой антенной решёткой (ФАР), обеспечивающей практически безынерционное перемещение антенного луча в угловом секторе, достигающем для плоской ФАР 120° (рис. 2; по горизонтали - время, по вертикали-угловое положение антенного луча по азимуту; вытянутые по оси времени прямоугольники отображают процесс обзора; горизонтальный размер малых прямоугольников - время обслуживания одного углового направления, на протяжении которого обзор пространства прерывается). На каждом азимуте луч шириной q задерживается на время t_eзондирования сектора ответственности по углу места (на рис. не показан), после чего цикл повторяется на смежном азимуте. Наряду с обзором ведётся сопровождение объектов на азимутах b₁ и b₂.

Основные параметры РЛС. Разрешающая способность и точность определения координат являются коррелированными характеристиками РЛС. Разрешающая способность по угловой координате приближённо равна ширине q антенного луча, а среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки сопровождения:

где r - отношение сигнала к шуму по мощности, h- число эффективно интегрируемых выборок для системы сопровождения.

Помимо шумовой ошибки имеются другие случайные ошибки, так что как бы велик ни был сигнал, угловая ошибка не стремится к нулю. Из наиболее распространённых способов измерения угловые координат ("на проходе", путём конического сканирования, переключением диаграммы, моноимпульсным методом - см. рис. 3) наиб. точность даёт последний метод. В сантиметровом диапазоне достигнута минимальная суммарная ошибка измерения угла порядка 0,01 q.

Разрешающая способность РЛС по дальности DR = где Df_с - ширина спектра зондирующего сигнала. Среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки измерения дальности при сопровождении

Рис. 2. – Перемещение антенного луча в угловом секторе.

Рис. 3. – Способы измерения угловых координат

Рис. 4. – Внутриимпульсные частотная и фазо-кодовая модуляции

Для увеличения дальности действия РЛС необходимо повышать энергию зондирования, что достигается либо увеличением мощности в импульсе, либо увеличением его длительности. Второй путь предпочтительнее, т. к. устраняет ряд инженерных проблем, связанных с более высокими электрическими напряжениями. Но для сохранения при более длит. импульсах заданного разрешения по дальности требуется внутриимпульсная частотная модуляция (ЧМ) или фазо-кодовая модуляция (ФКМ), обеспечивающая ширину спектра Df_сзондирующих сигналов, равную с/2DR, где с- скорость света. От длительности зондирующего импульса разрешение не зависит, но при обоих видах модуляции от неё зависит уровень мешающих боковых лепестков и ширина области их существования.

В случае внутриимпульсной линейной ЧМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту поступает на частотно-дисперсионную линию задержки (рис. 4, а), на выходе которой появляется сжатый импульс длительности 1/Df_с. При внутриимпульсной ФКМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту поступает на линию задержки с отводами (рис. 4, б), отображающими кодовую последовательность ФКМ зондирующего импульса и снабжённую такими фазосдвигающими элементами в отводах, которые обеспечивают синфазное суммирование всех парциальных сигналов при достижении импульсом конца линии задержки; при этом на сумматоре появляется сжатый импульс длительностью 1/Df_с.

Применение линий задержки, сумматоров, частотных фильтров, временных селекторов в виде аналоговых устройств сопряжено с рядом неудобств, обусловленных их нестабильностью, необходимостью регулировки, сложностью и высокой стоимостью. Поэтому в современной РЛС широко применяется цифровая обработка принимаемых сигналов. Для цифровой обработки принятый сигнал после преобразования частоты и усиления подаётся на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого получаются выборки сигнала в виде двоичного цифрового кода, несущие в себе информацию как об амплитуде, так и о фазе принятого сигнала. Далее все операции производятся с помощью цифровых фильтров, интеграторов и устройств для селекции движущихся целей. Широкое применение в цифровых процессорах сигнала находит быстрое Фурье преобразование, резко снижающее требования к объёму вычислений и позволяющее осуществить многоканальную фильтрацию в частотной области. Важнейшее значение имеют характеристики АЦП: его разрядность определяет динамический диапазон приёмника РЛС, его быстродействие - достижимое разрешение по дальности. Совр. АЦП обеспечивают быстродействие 20 МГц при 12 разрядах.

В наземных и корабельных РЛС используются гл. обр. дециметровые и сантиметровые волны. В самолётных РЛС, где габариты антенн строго ограничены, применяются только короткие сантиметровые волны. Имеются также РЛС на волнах 8 мм и даже 3 мм. Ограничение длины волны снизу определяется резко возрастающими с уменьшением l потерями в атмосфере.

Кроме активных радиолокаторов, работающих по отражённому сигналу, существуют пассивные радиолокаторы, использующие естественное излучение объектов (радиометры). Такие устройства могут непосредственно измерять только угловые координаты.

Передача непрерывных (аналоговых) сигналов по линии связи предполагает передачу бесконечного множества их мгновенных значений на протяжении конечного промежутка времени. При этом спектр финитного, т.е. ограниченного во времени, непрерывного сигнала бесконечен. Однако, на практике различные радиотехнические устройства (фильтры, усилители и другие) имеют ограниченную полосу пропускания, что приводит к ограничению спектра сигнала некоторой граничной частотой (или ), которая определяется свойствами получателя сообщений. Так например, общепринятой нормой в системах передачи речевых сигналов является ограничение спектра сигнала в пределах (0,3÷3,4)кГц, в системах телевидения – (0÷6)мГц. Как преодолеть противоречие между ограничением спектра сигнала и конечным временем его существования? Ответ на этот вопрос даёт теорема, сформулированная и доказанная академиком В.А. Котельниковым и получившая название теоремы Котельникова или теоремы отсчётов.

Теорема Котельникова формулируется следующим образом. Непрерывный сигнал , ограниченный по спектру частотой (или ), полностью определяется совокупностью мгновенных значений (отсчётов) в моменты времени , отстоящие друг от друга на интервал времени

Расчетная часть

Исходные данные:

=360МГц

n=1400км/ч

R =1800км

A =9B

=90мс

На рисунке 5 представлена огибающая радиоимпульса.

Рис. 5. – Огибающая радиоимпульса.

Математическая модель, огибающей радиосигнала имеет следующую зависимость y = kx + b.

Следовательно, для первой части огибающей :

Для второй части огибающей ; :

По полученным данным видим математическую модель огибающей

Чтобы определить математическую модель заполнения радиосигнала нужно вычислить α - параметр, характеризующая скорость нарастания частоты:

Также необходимо найти девиацию частоты и максимальную частоту, так как сигнал является линейно-частотно модулированным:

По полученным данным получили математическую модель сигнала:

1. Определим базу лчм – сигнала

Где ∆ f - ширина спектра ; – длительность импульса.

2. Запишем амплитудный спектр ЛЧМ – сигнала

На рисунке 6 изобразим амплитудно-частотный спектр.

Рис. 6. – АЧ спектр.

3. Определим энергетический спектр посланного сигнала

4. Определим через какое время от момента пуска импульса отраженный сигнал дойдет до приемной антенны.

5. Определим, как изменится амплитудно – частотный спектр принятого антеной сигнала и изобразим его на рисунке 10.

Найдем доплеровскую частоту Fɡ , связанную со скоростью движения объекта:

Изобразим амплитудно – частотный спектр принятого антеной сигнала:

Рис. 7. – Изменившийся АЧ спектр

6. Определим автокорреляционную функцию между отправленным и принятым сигналом, а также энергии сигнала:

Найдем энергию сигнала.

(49)

Определим автокорреляционную функцию:

)dt=0.84 (50)

7. Определим максимальный интервал для дискретизации отраженного сигнала, а также минимальную разрядность АЦП, используемого при ОЦИФРОВКЕ сигнала, если ошибка квантования составляет 3· 10⁻⁶B.

Для этого необходимо сначала найти Fв

тогда по формуле

Определим минимальную разрядность АЦП:

Заключение

В ходе курсовой работы был исследован сигнал, который используется в радиолокационных системах. В частности, импульс с линейно-частотным радио заполнением. В результате исследования сигнала, я получил , что база данного сигнала ЛЧМ- импульса равна B=0,31.Энергетический спектр посланного сигнала оказалось равной ωs (ω) = S²н = 0,43В² . Время за которое отраженный импульс дойдет до приемной антенны tn=2 R=2·1800000=12 мкс. Рассчитал автокорреляционную функцию между отправленным и принятым сигналом Rs ( τ)=0, 84 B² . Данное полученное значение АКФ говорит о том, что при сдвиге копии сигнала относительно него на время t, копия и сигнал не значительно расходится, так как значение АКФ больше нуля. Энергия сигнала получилось равной Е= 3,0B² . Максимальный интервал для дискретизации отраженного сигнала ∆t= нс. Минимальная разрядность АЦП n=19.

Список использованных источников.

1. Ю. В. Мощенский, А.С. Нечаев, И.В. Макаров, В.М. Мухин. Теоретические основы радиотехники. Сигналы: учебное пособие. Самара: Самар. гос. техн .ун-т; ООО « Издательство Ас Гард», 2012. 242с.

2. С. И. Баскаков . Радиотехнические цепи и сигналы : учебник для вузов . М.: Высш. Шк., 1988. 448с.

3. А. С. Нечаев. Теоретический анализ сигналов в работе РЛС: Метод. пособ. к курсовой работе.- Самара: Самар. гос. техн. ун-т,2015. 35 с.

4. Якунин А. С. История отечественной радиолокации ., М.: Столичная энциклопедия, 2012. 760с.

5. Сайт seacomm.ru, 15.05.2018г. https://seacomm.ru/dokumentacija/5945/

6. Сайт Википедия, 15.05.2018г. https://ru.wikipedia.org/wiki/РЛС_(значения)

7. Сайт Википедия, 15.05.2018г. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиолокация

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 326; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!