Проектирование радиолокационной станции для обнаружения надводных целей в пределах речного шлюза Усть-Каменогорской гидроэлектростанции

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….	7
1 Анализ существующих систем ближней радиолокации………………...	9
2 Выбор вида обзора…………………………………………………………	13
3 Предварительный расчет ………………………………………………….	15
3.1 Расчет основных тактико-технических РЛС………….……………..	15
3.2 Расчет влияния отражений от поверхности воды…………………...	19
4 Разработка структурной схемы РЛС……………………………………...	22
4.1 Разработка структурной схемы передатчика………………………..	22
4.2 Разработка структурной схемы приемника………………………….	23
5 Расчет автогенератора……………………………………………….…….	26
6 Расчет усилительного тракта……………………………………………...	31
6.1 Расчет оконечного каскада усилительного каскада.………………..	31
6.2 Расчет предоконечного каскада с использованием компьютера…..	35
7 Расчет выходной колебательной системы………………………….…….	40
8 Расчет антенно-фидерной системы…..…………………………………...	43
9 Уточненные тактико-технические характеристики РЛС………….…….	49
10 Бизнес-план………...………………………………………………………	51
10.1 Сущность проекта……………………………………………………	51
10.2 Характеристика проекта…………………………………………….
10.3 Маркетинг………………………………………………………….…
10.4 Бизнес-план…………………………………………………………..
10.5 Сравнение………………………………………………………….…
11 Безопасность жизнедеятельности…………………………………………
4.1 Разработка системы естественного освещения в помещении контроля и управления шлюзом……………….…………………….
4.2 Меры защиты от действия электромагнитных излучений…………
4.3 Меры пожарной профилактики……………………………………....
Заключение…………….………………………………………………………
Список литературы….………………………………………………………...
Приложение А..………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Где-то в тридцатые годы большинство жителей нашей планеты впервые услышали слово радиолокация. Шло время и, как это всегда бывает, массовый интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину с четко очерченными границами возможностей и приложений.

Потребовалось немало времени, чтобы усовершенствовать способы и технику радиообнаружения целей. Приборы радиообнаружения получили массовое применение только во второй мировой войне.

В наше время радиолокация получила широчайшее применение. Ее методы и средства используются для обнаружения объектов и контроля обстановки в воздушном, космическом, наземном и надводном пространствах, используются в метеорологии и разведке полезных ископаемых. Современная техника позволяет с большой точностью измерять координаты положения целей, следить за их движением, определять не только формы объектов, но и структуру их поверхности. Не говоря уже об использовании радиолокации в астрономии. И с каждым днем радиолокация находит все новые и новые применения в жизни человека. Но если говорить о чисто "земных делах", то основное применение радиолокации это организация управления движением.

Итак, управление движением. Чтобы управлять движением, необходимо иметь информацию об объектах управления, а точнее: их расположение относительно других объектов, их местонахождение и возможное отклонение от заданного маршрута, их скорости, ускорения, их линейные размеры и др. Но не всегда эту информацию можно получить лишь визуально наблюдая за движением объектов. Ограничением этому служат как погодные условия и время суток, так и ограниченные возможности человека, не говоря уже о множестве причин, характерных для отдельных видов транспорта, движением которого приходится управлять. Рядом таких ограничений обладает речной транспорт, при прохождении через систему речных шлюзов.

Речной шлюз – гидротехническое сооружение для подъема или опускания судов с одного уровня воды на другой. Представляет собой, узкий канал с воротами входа и выхода.

Основное наблюдение за движением судов в шлюзе осуществляется из помещения управления, расположенного непосредственно около шлюзового канала и с помощью видеокамер установленных вдоль шлюза. Однако зачастую не достаточно только визуального наблюдения, так как глубина канала не всегда позволяет видеть находящиеся там мелкие суда. Кроме того, на эффективность наблюдения влияют и погодные условия. Все это может привести к несвоевременному закрытию ворот шлюза, что повлечет за собой трагические последствия.

Выходом из сложившейся ситуации может служить установка радиолокационного оборудования, которое позволит не только полноценно наблюдать за происходящим внутри шлюза движением в любое время суток и в любую погоду, но и существенно облегчит работу диспетчеров, управляющих работой шлюза.

В настоящее время, на сколько мне известно, подобное не было применено на практике, однако существуют береговые радиолокационные станции, навигационные станции, устанавливаемые на речных судах, охранные радиолокационные системы и станции обнаружения, тактико-технические характеристики которых призваны выполнять задачи, сравнимые с задачей данного дипломного проекта.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ БЛИЖНЕЙ РАДИОЛОКАЦИИ

В настоящее время радиолокационные станции нашли широчайшее применение во многих сферах деятельности человека. Они используются не только для определения координат, характеристик движения различных объектов и навигационных целей, так же радиолокационные станции применяются для разведки полезных ископаемых, для охраны территорий, для космических исследований и многого другого. Далее описываются основные тактико-технические характеристики и область применения радиолокационных станций подобных той, что разрабатывается в дипломном проекте.

В настоящее время на вооружении армии иностранных государств имеется боевой парк РЛС разведки наземных целей, подразделяемые на классы:

-    РЛС ближнего действия (типа AN/PPS 15 США);

-    РЛС малой дальности (типа RB 12B Франция);

-    РЛС средней дальности (типа «Монитор» Россия и АN/PPS-5 CША);

-    РЛС большой дальности (типа Rasit и Ratak Германия).

Парк РЛС разведки наземных целей, разработанных в 70-80 годы, представлен в основном станциями ближнего действия (до 20 наименований). В настоящее время большое внимание уделяется созданию РЛС средней дальности, обеспечивающих обнаружения одиночного человека на удалении 4-5 км и бронетехники на удалении до 10-12 км. При этом в процессе создания современных РЛС средней дальности основное внимание уделяется: автоматизации процесса обнаружения цели, что придает им принципиально новое качество по отношению к парку существующих РЛС этого класса; возможности установки этих РЛС на автотранспорте с обеспечением автоматического горизонтирования антенной системы; повышение надежности, уменьшения ее массы и энергопотребления РЛС при обеспечении высокой разрешающей способности и точности измерения координат цели.

РЛС разведки наземных целей 111L1 «Лис».

На решение вышеперечисленных задач была направлена разработка ХК «Укрспецтехника» РЛС разведки наземных целей средней дальности 111L1 «Лис». Главная отличительная черта РЛС «Лис» - работа в миллиметровом диапазоне длин волн, что облегчает решение ряда технических задач: не создает помех радиотехническим средствам; повышает невосприимчивость к случайным и преднамеренным помехам; практически безвредна для здоровья человека.

По принципу действия станция разведки является когерентно-доплеровской РЛС непрерывного излучения миллиметрового диапазона с фазо-кодоманипулированным сигналом. РЛС «Лис» - это мобильное средство обнаружения цели и устанавливается на автотранспорте. Она обеспечивает автоматическое обнаружение движущихся целей (людей и техники) в любое время года и суток, в дождь, в пыли и в тумане при отсутствии оптической видимости.

Антенная система РЛС представляет собой пару раздельных антенн (приемная и передающая антенны), чем обеспечивается необходимая развязка между передающим и приемным каналом. Антенны выполняются в виде параболоидов вращения. Облучатель – круглый волновод. Приемная передающая антенна расположены симметрично относительно вертикальной оси вращения всей антенной системы. Диаграмма направленности антенны близка к игольчатой. Малая ширина диаграммы направленности обеспечивает необходимую угловую разрешающую способность РЛС.

Приемопередающее устройство РЛС выполнено на основе транзисторов. Усилитель мощности передатчика и малошумящий усилитель высокой частоты приемника разработаны в микрополосковом исполнении. Процесс обнаружения цели РЛС «Лис» осуществляет при автоматической адаптации порога обнаружения местности и метеоусловия. Обнаруженные цели (до 10) отображаются на жидкокристаллическом дисплее в наглядном виде: яркостная отметка, соответствующая положению цели с определенными координатами пеленга и дальности. Радом с яркостной отметкой отображается номер цели, на свободном пространстве экрана монитора отображается формуляр обнаруженных целей в цифровом виде. Используемые в РЛС алгоритмы и программы цифровой обработки сигналов позволяют осуществлять автоматическое обнаружение и распознавание движущихся целей и обеспечивает надежное подавление помех. Характеристики РЛС разведки наземных целей «Лис» приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Тактико-технические характеристики РЛС «Лис»

Параметр	Значение
Зона обзора:
- по азимуту, ˚	120
- по дальности, км	0…12
Время полного обзора:
- в нормальных условиях, с	25
- в сложной помеховой обстановке, с	50
Дальность обнаружения целей:
- одиночный человек, км	5,4
- автомобиль, моторная лодка, км	11,5
- вертолет, км	12
Разрешающая способность:
- по пеленгу, не хуже ˚	2
- по дальности, не хуже, м	25
Частота, ГГц	36
Мощность передатчика, Вт	0,2
Диаметр раскрыва антенны, мм	400
Энергопотребление, Вт	60
Масса аппаратуры, кг	30

Радиолокационная станция охраны (РЛСО) предназначена для обеспечения охраны складов техники и имущества, аэродромов и морских портов, авиабаз и морских баз, полигонов, нефтебаз, электростанций, участков государственной границы и границ частных владений.

РЛСО предназначена для обеспечения охраны как границ охраняемой территории, так и подступов к ней и всей площади территории от проникновения и перемещения по ней нарушителей. РЛСО обеспечивает автоматическое обнаружение нарушителей, измерение их координат и наглядную индикацию с привязкой к конфигурации охраняемой территории. РЛСО обеспечивает обнаружение движущихся людей и автотранспорта в любое время года и суток, при дожде с интенсивностью 10 мм/час, в тумане с видимостью 10 метров и в дыму. Площадь охраняемой территории 1-1,5 км². Границы зоны охраны могут оперативно изменяться при изменении конфигурации охраняемой территории. РЛСО позволяет классифицировать тип обнаруженных нарушителей (одиночный человек, группа людей, автотранспорт, животное) по звуковой индикации доплеровских сигналов и позволяет исключить ложные цели. РЛСО работает в миллиметровом диапазоне длин волн, что позволяет эффективнее решать задачи обнаружения движущихся объектов и обладает рядом преимуществ: малая масса и габариты, экологическая чистота из-за малой глубины проникновения излучений миллиметрового диапазона в организм человека, невосприимчивость к помехам, создаваемым техническими средствами, отсутствие помех для технических средств, работающих вблизи от охраняемой территории.

РЛСО состоит из стационарной РЛС, обеспечивающей автоматическое обнаружение нарушителей, и патрульной мини-РЛС, обеспечивающей допоиск нарушителей патрулем, оперативно выехавшим на место нарушения. Стационарная РЛС состоит из информационного модуля и вынесенного пульта управления, связь между которыми обеспечивается по радиоканалу до удаления 3 км. Модификации стационарной РЛС могут монтироваться на автотранспорте. Комплектующие РЛСО РЛС являются автоматическими миллиметровыми когерентно-доплеровскими гомодинными РЛС с аналоговыми фильтрами подавления помех от подстилающей поверхности, адаптивным цифровым обнаружителем, работающим с учетом измерения уровня помех в каждом элементе пространства и с автоматическим измерением координации.

Таблица 1.2 – Тактико-технические характеристики РЛСО

Параметр	Стационарная РЛС	Патрульная РЛС
Дальность обнаружения:
- человека	1,2	0,6
- автотранспорта	2	1
Разрешающая способность:
- по азимуту	4˚	8˚

Продолжение таблицы 1.2

Параметр	Стационарная РЛС	Патрульная РЛС
- по дальности	20 м	20 м
Излучаемая мощность:	25 мВт	25 мВт
Потребляемая мощность:	100 Вт	25 Вт
Масса	20 кг	6 кг

Вышеприведенные радиолокационные системы сходны с той, что разрабатывается в дипломном проекте по назначению, основным функциям и техническим характеристикам. Проектируемая РЛС так же предназначена для наблюдения за целями на земной или водной поверхности и характеризуется схожими техническими параметрами, такими как дальность действия, излучаемая мощность, разрешающая способность и время обзора. То есть существование подобных станций не исключает возможности реализации подобного проекта.

2 ВЫБОР ВИДА ОБЗОРА

Как уже говорилось, в дипломном проекте требуется разработать радиолокационную станцию обнаружения надводных целей, чему и будет посвящена основная часть.

На рисунке 2.1 приведена карта-схема усть-каменогорской ГЭС, на которой видно размещение шлюза, его размеры и разность уровней воды.

Рисунок 2.1- Усть-Каменогорска ГЭС

Одним из первых вопросов, на которые нужно отве­тить, приступая к проектированию станции, является вопрос о виде излучаемых колебаний: непрерывные или импульсные. РЛС с непрерывным излучением характе­ризуются (по сравнению с импульсными) более низкой чувствительностью, трудностями измерения и разреше­ния по дальности; их достоинствами являются отно­сительно низкая мощность излучаемых колебаний и луч­шее качество селекции целей по скорости. Так как нет потребности в высокой чувствительности на подобных расстояниях; разрешение по дальности на малых расстояниях требует импульсов длительностью порядка нескольких наносекунд, что очень сложно реализовать, то целесообразно реализовать радиолокационную станцию с непрерывным излучением. А разрешение по дальности обеспечим с помощью двухпозиционной системы.

Для наилучшего обзора всего шлюза приемную и передающую антенны лучше расположить у ворот входа или выхода шлюза, и на некотором возвышении, чтобы они не мешали проплывающему транспорту. Удобно разместить их на здании, в котором находятся установки по подъему ворот.

Для лучшего разрешения по дальности необходимо достаточно большое расстояние (базис) между антеннами, однако, по понятным причинам, для полноценного обзора базис не должен превышать ширину шлюзовой камеры, которая составляет 18 м.

Рисунок 2.2 – Схема размещения антенн на речном шлюзе

На рисунке 2.2 приведена схема размещения приемной и передающей антенн на шлюзе, где: 1 – ворота шлюза; 2 – здание-арка; 3 – приемная и передающая антенны; 4 – шлюзовая камера; 5 – водохранилище гидроэлектростанции; 6 – элемент разрешения РЛС.

 3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАССЧЕТ 3.1 Расчет основных тактико-технических РЛС

Произведем расчет основных тактико-технических характеристик проектируемой РЛС с учетом предъявляемых к ней требований и выполняемых функций.

Длина волны и геометрические размеры антенны определяют ширину диаграммы направленности антенны РЛС. Для наиболее распространенных в настоящее время зеркальных антенн справедливо соотношение:

(2.1.1)

где θ_0,5 – ширина диаграммы направленности по половинной мощности;

d_а – размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости;

λ – длина волны.

При заданном максимальном размере антенны реализовать значение ширины луча, требуемое для обеспечения желаемого разрешения, можно вариацией длины волны. Так как реальная разрешающая способность по угловой координате:

где γ_φ – коэффициент ухудшения потенциальной разрешающей способности, то для обеспечения требуемого разрешения длина волны с учетом (2.1.1) должна быть равна:

(2.1.2)

Для большинства существующих радиолокационных станций значение γ_φ=1…1,5. Формула (2.1.2) определяет значение длины волны, при котором обеспечивается требуемая разрешающая способность по угловой координате.

Зададимся γ_φ=1,25, размер антенны d_а=1,5м. и ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости θ^E_0,5=2^˚ , тогда длина волны:

Вертикальный размер антенны определяется шириной диаграммы направленности в вертикальной плоскости, которую выбираем исходя из необходимости облучать сразу всю зону обзора по дальности. Зона обзора по дальности есть длина шлюзовой камеры.

Так как длина шлюза составляет 100 м, а высота подвеса сканирующей антенны 15 м, то:
Уже зная длину волны и ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости, из формулы (2.1) найдем вертикальный размер антенны:

На практике при определении длины волны РЛС, как правило, приходится исходить из требований, связанных с выбором энергетических показателей стан­ции, определяющих дальность действия РЛС.

На рисунке 2.1.1 приведены графики, иллюстрирующие зависимость требуемой энергии передатчика от длины волны. При построения графиков энергия излучения на волне l=25 см (Е₂₅) принималась за единицу и опреде­лялось отношение Е_l/Е₂₅ с учетом поглощения энергии в дожде интенсивностью 4 мм/ч и в кислороде на всей дальности действия. Из рисунка1 видно, что для каждой дальности действия Rmax существует оптимальное значение длины волны l при котором требуемая энергия излучаемых колебаний достигает минимума. Если длину волны брать больше оптимальной, то необходи­мая энергия излучения увеличивается относительно медленно, но при уменьшении длины волны по сравне­нию с l необходимая энергия излучения возрастает очень быстро.

Рисунок 3.1 – Зависимость излучаемой энергии от длины волны

Из рисунка видно, что длина волны λ=4 см находится правее минимальной энергии для необходимого расстояния и не требует больших энергетически затрат.

Положение цели в зоне обзора будет находиться по двум азимутальным углам, определенным передающей и приемной сканирующей антенной, и базису – расстоянию между этими антеннами.

Определим мощность излучения, необходимую для обнаружения целей с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги на требуемом расстоянии. Это не сложно сделать, воспользовавшись уравнением дальности для двухпозиционной системы [8]:

(2.1.3)

где P_t –мощность передатчика РЛС;

R_max – максимальная дальность обнаружения целей;

G_t – коэффициент направленного действия передающей антенны;

G_r – коэффициент направленного действия приемной антенны;

λ – длина волны;

P_t – мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника;

σ_ц – эффективная площадь рассеяния цели (по таблице 2.2 из [11] для лодки σ_ц=5 м²).

Рассчитаем недостающие составляющие в уравнение (2.1.3).

Мощность отраженного от цели сигнала на входе приемника или пороговый сигнал обнаружения выразим через характеристики приемника:

где q – отношение сигнал/шум на входе приемника, необходимое для обнаружения целей с заданными вероятностями;

k₀ – постоянная Больцмана 1,38·10^-23 Дж/К;

F_s – коэффициент шума (для большинства приемников равен 6…9);

T­₀ – температура окружающей среды 290 К;

В_n – шумовая полоса пропускания преддетекторного фильтра приемника;

Так как вероятность правильного обнаружения Р_по=0,95 и вероятность ложной тревоги Р_лт=10^-4, то по рис. 4.3 из [11] определяем отношение сигнал/шум q=32 дБ или q=1585. Зададимся шумовой полосой пропускания приемника, В_n=±100 Гц, так как скорость движения целей в шлюзе не превышает 2 м/с, то максимальный доплеровский сдвиг при длине волны l=0,04 м составит f_д=100Гц.

Рассчитаем коэффициент направленного действия передающей и приемной антенны по формуле [9]:
где S_эф – эффективная площадь раскрыва антенны равная S_эф=0,25·π·l₁· l₂, l₁ и l₂ линейные размеры антенны.

Таким образом, с учетом вышеприведенных соотношений, уравнение дальности примет вид:

Мощность передатчика составляет 30 мВт.
Радиолокационная система будет производить последовательное сканирование зоны обзора. Местоположение цели будет определяться по пересечению узконаправленных лучей диаграмм направленности приемной и передающей антенн. На каждый элемент разрешения передающей антенны приходится один период обзора приемной антенны (см. рис. 2.1.2).

Рисунок 3.2 –Метод обзора шлюзовой камеры

Чтобы определить период обновления информации зададимся периодом обзора приемной антенны. Пусть он равен Т_{обз. пр.}=1 с, так как меньший период обзора сложно будет реализовать ввиду инерционных свойств антенны, а увеличение периода обзора негативно влияет на время обновления информации.

Таким образом, если Т_{обз. пр.}=1 с, и за это время передающая антенна должна “освещать” один элемент разрешения по азимуту, то:

(3.4)

где Ф_аз – зона обзора по азимуту;

θ_аз – разрешающая способность по азимуту.

Период обзора передающей антенны равен времени обновления информации на индикаторе.

Из (2.1.4) следует что, время облучения цели равно Т_обл.=1 с, а время наблюдения отраженного сигнала Т_наб.=1/45=0,022 с.

Из произведенных расчетов видно, что тактико-технические характеристики не противоречат техническому заданию и сравнимы с параметрами аналогичных РЛС, рассмотренных в первой главе.