Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. Какие физические явления лежат в основе радиолокации?

2. Какую информацию можно извлечь из отраженного от радиолокационной цели сигнала?

3. 
   Выведите основное уравнение радиолокации.
   
4. 
   Что такое ЭПР цели и от чего она зависит?
   
5. 
   Что такое сложные цели и какова их классификация?
   

Лабораторный эксперимент

1. Лабораторная установка

На рис. 4.5 представлена упрощенная структурная схема лабораторной установки. Она состоит из передающего и приемного каналов. В качестве источника электромагнитной энергии используется генератор, манипулируемый импульсами прямоугольной формы. Высокочастотная энергия о генератора излучается рупором в направлении отражателя.

Отраженная энергия принимается рупорной антенной и поступает в детекторную секцию. Полученные видеоимпульсы поступают на УНЧ (измерительный усилитель типа 28-И) и затем подаются на индикаторное устройство (стрелочный прибор).

Виды отражающих объектов в данной лабораторной работе:

1. Пластина

2. Уголковый отражатель

3. Шар

Вносить значения для разных отражателей в поля на рис. 4.6.

Рис. 4.6
Исследуемый отражатель устанавливается на поворотном устройстве.

Для каждого отражающего объекта внести данные в табл. 4.1 и нарисовать графики.
Таблица 4.1

α0

UмкВ

2. Порядок проведения исследования

1. 
   Ознакомиться с лабораторной установкой и описанием приборов, используемых в работе.
   
2. 
   Зарисовать схему лабораторной установки.
   
3. 
   Включить и настроить аппаратуру.
   
4. 
   Снять и построить диаграмму вторичного излучения плоской пластины в горизонтальной плоскости в полярной и декартовой системах координат. Определить угол раствора основного лепестка диаграммы на уровне 0,7 от максимального значения. Найти точки максимумов боковых лепестков диаграммы и сравнить их с максимальным значением основного лепестка. Сравнить полученные данные с результатами теоретических расчетов.
   
5. 
   Снять и построить диаграмму вторичного излучения диффузного отражателя в полярной системе координат. Сравнить с результатами расчетов.
   
6. 
   Определить эффективную отражающую поверхность уголковых отражателей в направлении максимума излучения и сравнить полученные данные.
   
7. 
   Сравнить полученные экспериментально значения 8ц исследуемых отражателей. Сопоставить результат с данными, полученными в результате расчетов.
   

8. Снять и построить в полярной системе координат диаграмму вторичного излучения модели самолета.

Контрольные вопросы

1. 
   От каких параметров зависят ЭПР металлической пластины, уголкового отражателя, шара, полуволнового вибратора?
   
2. 
   Каково влияние размеров объекта и длинны волны зондирующего сигнала на эффективную отражающую поверхность цели?
   
3. 
   Оцените степень совпадения экспериментально полученных значений S_ц исследуемых объектов с рассчитанными данными.
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
«Селекция движущихся целей»
Цель работы

1. 
   Изучение методов селекции движущихся целей (СДЦ), основанных на эффекте Доплера.
   
2. 
   Исследование экспериментальным путем эффекта Доплера.
   

3. Изучение принципов построения и схемы РЛС с СДЦ при непрерывном

зондирующем сигнале.

Подготовка к работе

1. Домашнее задание

Изучить материалы по эффекту Доплера и применению в системах СДУ.

2. Основные теоретические положения

Необходимость селекции движущихся целей (СДЦ).

Подавляющее большинство РЛС, эксплуатируемых в системе ГА, работает в таких условиях, когда их окружат многочисленные цели, имеющие весьма большие значения эффективных отражающих поверхностей. К таким целям, в первую очередь, относятся аэродромные сооружения, окружающие возвышенности, облака и многие другие объекты, находящиеся, на пути распространения радиоволн, излучаемых РЛС. Эти цели, как правило, являются источниками отраженных сигналов большой длительности и амплитуды. Действительно, мощность принимаемого сигнала, отраженного от протяженных поверхностных и объемных целей соответственно равна:

где α_A, β_А - ширина диаграммы направленности антенны РЛС в азимутальной и угломерной плоскостях;

а - коэффициент отражения;

R - дальность до центра площади;

τ_u - длительность импульса;

G_A - коэффициент направленного действия антенны; т.е. другими словами, мощность отраженного сигнала прямо пропорциональна геометрическому размеру зондирующего сигнала.

Очевидно, что на фоне сигналов от целей, имеющих большие эффективные отражающие поверхности (ЭОП), могут легко маскироваться сигналы, отраженные от целей с малыми значениями ЭОП. К таким целям можно отнести вертолеты и самолеты (эффективная отражающая поверхность самолета типа Ан-10 равна примерно 50 м², а самолета Ан-2 менее 10 м²).

Однако при радиолокационном наблюдении, особенно для наземных РЛС, наибольший интерес представляют движущиеся цели, ибо именно эти цели являются, с одной стороны, основными объектами управления, а с другой стороны, возможными источниками аварийных ситуаций.

Расчет по вышеприведенным формулам мощности принимаемого от различных целей сигнала для типовых характеристик наземного диспетчерского радиолокатора показывает, что мощность сигнала, отраженного от самолета, в сотни раз меньше мощности сигнала, отраженного от облака. Сигнал от самолета легко может быть пропущен как оператором, так и автоматическим устройством обработки радиолокационной информации.

Помимо неподвижных целей помехи приему сигналов малоразмерных подвижных целей могут создаваться сигналами, принимаемыми по боковым лепесткам антенных устройств. Хотя уровень мощности сигналов, принимаемых по боковым лепесткам, примерно на 30 дБ ниже уровня сигнала, принимаемого по основному лепестку, различие в величине ЭОП объектов оказывается столь большим, что сигналы, принятые по боковым лепесткам, дают дополнительные засветы на экранах индикаторных устройств, которые еще больше усложняют помеховую ситуацию.

В связи с этим в радиолокации возникает актуальная задача селекции движущихся целей на фоне помех и отражений от неподвижных целей.

Эффект Доплера. Для выделения одних сигналов на фоне других используют, как правило, отличительные признаки одного или нескольких параметров сигнала. Таких различий у сигналов, отраженных от движущихся целей, по сравнению с сигналами от целей неподвижных, три: малая амплитуда, перемещение во времени за счет движения цели, доплеровский сдвиг частоты.

Амплитуда не может служить параметром для эффективной селекции, т.к. в подавляющем большинстве случаев, встречающихся на практике, является флуктуирующей величиной. Конечные перемещения сигнала (временные сдвиги) могут быть зафиксированы только при периодическом обзоре, при этом техническая реализация селекции связана со значительными трудностями и ошибками. Доплеровский сдвиг частоты является наиболее четко фиксируемым параметром сигнала, отраженного от движущейся цели, и поэтому в большинстве случаев лежит в основе работы систем СДЦ.

Напомним, что сущность эффекта Доплера состоит в том, что если передатчик излучает сигнал частоты f₀, а приемник движется относительно передатчика с радиальной скоростью V_R, то на приемном конце линии передатчик-приемник частота принимаемого сигнала будет иметь значение:

Эффект Доплера можно объяснить тем, что при сближении целей за счет конечного перемещения увеличивается скорость изменения набега фазы сигнала, которая фиксируется как изменение частоты.
Сигнал передатчика:

Сигнал на приемном конце:

где t_R=R/C
Фаза сигнала на приемном конце линии

Частота сигнала на приемном конце линии

Если приемник и передатчик неподвижны, то:

т.е. частота принимаемого сигнала равна частоте излученного.

Если t_R = (R + V₀t)/c = R(t)/С, т.е. приемник движется, то

При сближении приемника и передатчика

При удалении
В радиолокации эффект Доплера проявляется дважды. Первый раз при распространении сигнала от РЛС к цели. Второй - при распространении отраженного сигнала. Поэтому можно записать:

Откуда

где ω_доп - доплеровская частота

Методы и схемы селекции движущихся целей, основанные на

использовании эффекта Доплера
Схемой РЛС, позволяющей выделять сигналы движущихся целей, является схема, представленная на рис. 5.1.

Передатчик РЛС излучает непрерывный сигнал частоты f₀.

В силу эффекта Доплера сигнал, отраженный от цели, движущейся относительно РЛС со скоростью V_r, имеет частоту:

Если приемник РЛС настроить на частоту f _прм то на выходе приемника будут

фиксироваться только сигналы, отраженные от движущейся цели. В связи с тем, что скорость цели априорно неизвестна, приемник доплеровской РЛС может быть построен по схеме последовательного соединения режекторного фильтра, настроенного на частотуf₀ и перестраиваемого в диапазоне частот f ₀ ± f _доп-max, где f_доп-max =2f_o V_{r max} / C

В схеме такой РЛС будут эффективно подавляться как сигналы передатчика, так и сигналы, отраженные от неподвижных целей и имеющие частоту f_o.

На практике бывает очень трудно избавиться от влияния сигнала передатчика на вход приемника. Однако это обстоятельство может быть использовано для построения видоизмененной схемы радиолокатора (рис. 5.2).

Передатчик РЛС по-прежнему излучает монохроматический зондирующий сигнал вида:

Принятый сигнал
В результате сложения во входных цепях приемника сигнала передатчика и принимаемого сигнала образуется геометрическая сумма сигналов, частота которых различается на величину ω_доп.

Амплитуда результирующего сигнала (сигнала биений):

а фаза:

На нагрузке детектора будет выделяться огибающая результирующего сигнала:

где M = U_тпрм / U_тпрд

Если М <<1 (а это условие всегда будет выполняться), то:
Следовательно, огибающая сигнала на выходе детектора меняется с частотой Доплера. Доплеровская частота может быть выделена с помощью перестраиваемого фильтра доплеровских частот (ФДЧ) (рис.5.2). Появление сигнала на выходе фильтра ФДЧ говорит о наличии в зоне облучения движущейся цели, а измеряемая величина доплеровской частоты пропорциональна скорости ее перемещения. Таким образом, при непрерывном методе излучения сигнал передатчика РЛС используется в качестве опорного для сравнения фаз отраженного и излученного сигналов.

Как известно, непрерывный метод излучения зондирующего сигнала имеет ряд недостатков, главными из которых являются: наличие приемной и передающей антенн; невозможность разрешения по дальности сигналов, отраженных от двух целей; сложности измерения дальности до цели и т.п.

Импульсный метод излучения свободен от указанных выше недостатков.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. 
   В чем состоит необходимость применения СДЦ?
   
2. 
   Эффект Доплера и особенности его проявления в РЛС.
   
3. 
   Назовите существующие методы СДЦ, их преимущества и недостатки.
   

Лабораторный эксперимент

1. Лабораторная установка

В экспериментальной части работы производится исследование эффекта Доплера и схемы доплеровской РЛС с непрерывным излучением сигнала, структурная схема установки представлена на рис. 5.3. Доплеровская РЛС состоит из передатчика, роль которого выполняет генератор ГК-4-19 или РИП-3, детекторной секции, узкополосного усилителя и измерителя доплеровской частоты, в качестве которого используется частотомер.

Моделью движущейся цели является круг с металлическими штырями, вращающийся с переменной скоростью. В зависимости от направления движения для краевых штырей круга проявляется эффект удаления или приближения к РЛС.

Следовательно, при вращении диска отраженные от вибраторов сигналы получают смещение частоты за счет эффекта Доплера. Причем, величина доплеровского смещения определяется радиальной скоростью каждого вибратора. Радиальные проекции скоростей вибраторов в каждый данный момент различны, в результате чего на входе макета РЛС формируется спектр частот, имеющих различный доплеровский сдвиг. Экран 1 (рис. 5.3) и направленная характеристика приемной антенны несколько сужают спектр. Доплеровская частота сигнала, отраженного от вращающихся вибраторов:

где R - расстояние от центра диска до вибраторов;

n - число оборотов диска.

f _изл = f_{0 ;} f_прм=f₀+ f_доп.

4.2. Порядок проведения исследования

Перед проведением эксперимента студент должен:

а) ознакомиться с принципом действий доплеровских РЛС по рекомендованной литературе, а также с изложенными выше принципами работы лабораторного макета;

б) ознакомиться с приборами, входящими в схему лабораторного макета. Проверить правильность их соединения согласно схеме. Включить приемник, передатчик(генератор СВЧ), частотомер и осциллограф; убедиться в нормальной работе установки, наблюдая за изменением показаний частотомера;

в) определить доплеровскую частоту и скорость вращения диска; сравнить данные радиотехнических измерений с показаниями тахометра. Результаты измерений свести в табл. 5.1.
Таблица 5.1

FД
Vл
n изм
Vлиз
Δ=Vл - Vл изм

Здесь F_Д - измеренные значения частоты Доплера;

V_лизм - линейная скорость, определенная в результате измерения доплеровской частоты;

n_изм - число оборотов, измеренное тахометром;

V_л- вычисленное значение линейной скорости;

г) по данным таблицы построить график F_Д=f(V_л).

Контрольные вопросы

1. 
   Эффект Доплера и особенности его проявления в РЛС.
   
2. 
   Какие параметры лежат в основе СДЦ и почему?
   
3. 
   Методы и схемы селекции движущихся целей, основанные на эффекте Доплера.
   
4. 
   Структурная схема доплеровской РЛС с непрерывным излучением сигнала.
   
5. 
   Формула для расчета доплеровской частоты сигнала, отраженного от вращающихся вибраторов.
   
6. 
   Какова степень совпадения измерения скорости вращения диска по доплеровской частоте и по показаниям тахометра?
   

<предыдущая страница