Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ структурного построения автоматизированных систем управления движением судов на внутренних водных путях 10
1.1. Обзор существующих и перспективных автоматизированных систем управления движением судов 10
1.2. Структурное построение автоматизированной системы управления движением судов на внутренних водных путях 16
1.3. Требования к элементам систем управления движением судов 26
1.3.1. Требования к береговым радиотехническим постам 26
1.3.2. Требования к средствам обработки и отображения радиолокационной информации 28
1.4. Выводы 33
2. Анализ радиолокационных характеристик судов и отраженных от них сигналов 35
2.1. Радиолокационные характеристики судов 35
2.1.1. Модели объектов наблюдения на внутренних водных путях и их кластеризация 35
2.1.2. Радиолокационные модели судов 42
2.1.3. Отражающие свойства судов 46
2.2. Аналитические модели сигналов, отраженных от судов, на входе приемника берегового РТП 51
2.2.1 Мгновенное значение мощности огибающей радиоимпульса 51
2.2.2. Огибающая радиоимпульса 56
2.2.3. Огибающая пачки радиоимпульсов 61
2.3. Анализ особенностей амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от судов 63
2.3.1. Точечный надводный объект 66
2.3.2. Сосредоточенный надводный объект 61
2.4. Выводы 69
3. Исследование влияния длительности импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием 71
3.1. Теоретические основы пространственно-временного моделирования характеристик высокочастотных устройств с последовательным питанием 72
3.2. Анализ влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности антенны с последовательным питанием 75
3.3. Анализ влияния соотношения длительности импульса передатчика и длина антенны с последовательным питанием на интегральные характеристики пространственной избирательности береговых РТП 82
3.4. Выводы 88
4. Инженерные методики расчета, моделирования и исследования остронаправленных высокочастотных устройств береговых радиотехнических постов 89
4.1. Требования к техническим характеристикам высокочастотных устройств береговых РТП 89
4.2. Инженерная методика расчета волноводно-щелевого излучателя 97
4.3. Синтез косекансной диаграммы направленности для цилиндрической зеркальной антенны локатора берегового РТП 105
4.4. Инженерная методика проектирования элементов управления поляризацией ПО
4.5. Конструкторско-технологическая реализация высокочастотных устройств береговых РТП 113
4.6. Разработка технических средств и инженерных методик настройки высокочастотных устройств береговых РТП 116
4.6.1. Комплексный измерительный стенд 117
4.6.2. Инженерная методика настройки высокочастотных устройств 122
4.7. Выводы 131
Заключение 132
Список литературы 134
- Обзор существующих и перспективных автоматизированных систем управления движением судов
- Модели объектов наблюдения на внутренних водных путях и их кластеризация
- Теоретические основы пространственно-временного моделирования характеристик высокочастотных устройств с последовательным питанием
- Требования к техническим характеристикам высокочастотных устройств береговых РТП
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности судоходства и природоохранных мероприятий остается одним из основных приоритетов морского и речного флота. По многолетним данным столкновения, посадки на грунт и навалы составили до 70% всех аварий мирового флота. Такие аварии нередко сопровождались гибелью людей, большими потерями из-за повреждения судов и порчи груза, серьезными экологическими последствиями в морских и речных акваториях.
Основу большинства мероприятий, предпринимаемых с целью • уменьшения навигационной аварийности, составляет оборудование районов интенсивного судоходства специализированными навигационными средствами. Практика судовождения показывает, что начатый в 40-х годах процесс широкого внедрения радиолокационной и другой навигационной техники, систем управления движением судов оказал заметное влияние на снижение числа аварий навигационного характера (посадка на мель, касание грунта и тому подобное).
Современное мореплавание характеризуется значительным возрастанием интенсивности судоходства, обусловленным увеличением объемов грузоперевозок, ростом мирового флота и повышением доли ходового времени судов в эксплуатационном периоде. Увеличение размеров судов и скоростей их движения привело к тому, что последствия столкновений судов могут привести к значительным человеческим жертвам,
• экономическим потерям, а также выливаться в серьезные экологические проблемы.
Отсутствие современных систем и средств обеспечения безопасного судовождения на внутренних водных путях влечет за собой создание предпосылок навигационных аварий с чрезвычайными последствиями.
Решение этой проблемы возможно с помощью береговых систем управления движением судов, оборудованных современными средствами вычислительной, радиолокационной и связной техники. Подобные системы установлены и успешно работают на ряде крупных рек Западной Европы и Северной Америки.
В Российской Федерации работа по созданию и эксплуатации современных систем управления движением судов (СУДС) на морских акваториях, внутренних водных путях проводится более 40 лет. Первая СУДС была введена в эксплуатацию в 1960 году на базе отечественной БРЛС «Раскат». Подобные же станции затем были установлены в портах Мурманск, Ильичевск, Мариуполь. В дальнейшем СУДС были созданы в портах Новороссийск, Одесса, Клайпеда, Вентспилс, Архангельск, Владивосток, Керчь, заливе Находка и в ряде других портов.
Эффективность внедрения СУДС показала целесообразность их дальнейшего развития за счет расширения зон применения, создания региональных систем, охватывающих подходы к нескольким портам или целые прибрежные районы.
Радиолокационный контроль над движением судов позволяет оценить плотность движения на фарватерах, подходах к портам и в местах схождения путей с целью избежания конфликтных ситуаций. Одновременно создаются условия для выявления случаев нарушения судами режима плавания и принятия соответствующих мер, проводки судов в условиях ограниченной видимости.
Для повышения точности и информативности процессов управления судоходством в СУДС требуется детальное исследование радиолокационных характеристик судов, особенностей и основных информационных параметров отраженных от них эхо сигналов. Известные теоретические и экспериментальные исследования позволяют получить определенные представления о них, которые, однако, недостаточны для разработки практических методов и формализованных процедур извлечения дополнительной информации из сигналов, отраженных от судов.
Постоянное возрастание интенсивности судоходства, развитие и нарастающее использование малотоннажного флота обуславливает непрерывное возрастание требований к повышению разрешающей способности береговых радиотехнических постов (РТП) СУДС, которые входят в противоречие с возможностями практической реализации крупногабаритных антенных устройств и требованиями обеспечения их эксплуатационной стабильности и надежности. Реальной альтернативой этому является перевод береговых РТП в более коротковолновую часть диапазона длин волн, но этот переход сопровождается значительными конструкторскими и технологическими проблемами, решение которых должно основываться на дополнительных научных исследованиях.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик проектирования функциональных устройств береговых РТП проводки судов.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1. Проанализировать особенности функционирования и требования, предъявляемые к береговым радиотехническим постам СУДС, с учетом определения наиболее эффективных путей их совершенствования, повышения точности и информативности сигналов, отраженных от судов, повышения разрешающей способности береговых РТП.
2. Исследовать радиолокационные характеристики судов и особенности отраженных от них сигналов с целью обеспечения их идентификации и организации проводки судов в условиях ограниченной видимости.
3. Разработать методы повышения точности и информативности радиолокационных сигналов от судов и пути их реализации в СУДС путем использования нетрадиционного диапазона длин волн.
4. Исследовать влияние длительности зондирующего импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием.
5. Разработать методическое и информационно-программное обеспечение для расчета, моделирования и исследования высокочастотных функциональных устройств береговых РТП СУДС.
Методы исследования. Радиолокационные характеристики судов определялись с использованием положений.и методов статистической теории радиолокации. Аналитические модели сигналов, отраженных от надводных объектов, были синтезированы в результате применения статистической теории рассеяния электромагнитной энергии телами сложной формы. Инженерные методики проектирования функциональных устройств береговых РТП основаны на базовых постулатах геометрической теории дифракции электромагнитных волн. Исследования характеристик и информативных параметров функциональных устройств береговых РТП базировались на результатах физического моделирования, выполненных на специально созданном комплексном измерительном стенде.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:
1. Показано, что одним из наиболее эффективных путей совершенствования СУДС является увеличение точности и информативности обработки сигналов, отраженных от судов. Выявлена и использована принципиальная возможность построения СУДС, отличающихся повышенной точностью измерения координат наблюдаемых судов и вырабатывающих параметры их ориентации.
2. Получены необходимые для процессов идентификации и управления в СУДС аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов. Установлено, что импульсы пачки от сосредоточенного объекта (судна) могут различаться между собой не только амплитудой, как у точечных объектов, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Изучена зависимость амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных надводными объектами от их геометрических характеристик и процесса флуктуации эффективной поверхности рассеяния наблюдаемого объекта под воздействием ветра и волнения в условиях ограниченной акватории.
3. Сформулированы конкретные рекомендации по применению в береговых РТП высокочастотных устройств с последовательным питанием.
Доказано, что степень подавления приемником спектральных компонент импульса передатчика должна соответствовать требованиям к уровню ближних боковых лепестков диаграммы направленности высокочастотных устройств береговых РТП, что повышает помехоустойчивость при принятии решений в СУДС.
4. Уточнено содержание информационного обеспечения СУДС, включающее оценивание зависимости минимального импульсного объема от несущей частоты передатчика, что позволило повысить в 4 раза угловое разрешение береговых РТП при сохранении длительности зондирующего импульса.
5. Разработаны инженерные методики и информационно-программное обеспечение расчета высокочастотных устройств с последовательным питанием и их элементов, включая управление поляризацией и формирование квазикосекансной диаграммы направленности.
6. Обоснованы конструкторско-технологические рекомендации, позволившие сократить трудовые и финансовые затраты на производство и настройку функциональных устройств береговых радиотехнических постов СУДС.
Основные новые результаты, выносимые на защиту.
• аналитический обзор методов построения и структурирование комплекса технических требований, предъявляемых к автоматизированным системам управления движением судов;
• аналитические модели пространственно-временной структуры # сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС;
• инженерные методики расчета, программное обеспечение и конструкторско-технологические рекомендации по проектированию функциональных устройств береговых РТП СУДС;
• методики компенсации погрешностей функциональных устройств береговых РТП с использованием специализированного комплексного измерительного стенда;
• результаты практического использования семейства береговых РТП «Балтика» СУДС в портах Мурманск, Владивосток, Кавказ и ГБУ «Волго-Балт»;
Реализация результатов работы.
Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:
• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;
• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;
• ЗАО «Норфес» (Владивосток);
• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);
• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог». Апробация работы. Научные положения, выводы и рекомендации,
сформулированные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2004 г.) и Научно-практической конференции «Радиоэлектронные системы. XXI век» (Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации. По результатам научных исследований автором с 2000 по 2005 г. опубликовано 8 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и включает 145 страниц основного текста, 38 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список включает 95 наименований
Обзор существующих и перспективных автоматизированных систем управления движением судов
Системы управления движением судов (СУДС/VTS) используются в практике отечественного судовождения с середины XX века. Целью их создания и последующего развития являлась техническое обеспечение максимальной навигационной безопасности судоходства при максимально допустимой интенсивности движения, снижения аварийности и предупреждения загрязнения акваторий, а также повышения эффективности работы флота и портов. Как правило, СУДС создаются на государственном уровне в соответствии с международными нормами и правилами. Формирование норм и правил безопасного судоходства осуществляет Международная морская организация (MMO/IMO), а именно, специальный Комитет по СУДС, входящий в состав Международной Ассоциации маячных служб (MAMC/IALA). В настоящее время в мировой и отечественной практике находятся в эксплуатации более 500 СУДС, их количество и уровень технической оснащенности непрерывно возрастают/1/.
Отсутствие в Российской Федерации современных систем и средств обеспечения безопасного судовождения на внутренних водных путях (СУДС-ВВП) влечет за собой создание предпосылок навигационных аварий с чрезвычайными последствиями. Решение этой проблемы возможно с помощью береговых систем управления движением судов, оборудованных современными средствами вычислительной, радиолокационной и связной техники. Опыт использования подобных систем на ряде крупных рек Западной Европы и Северной Америки подтверждает их высокую эффективность. Организация разработки и эксплуатации СУДС должны соответствовать требованиям следующих документов 12, 3, 4, 5/: Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море (SOLAS). Глава V «Безопасность мореплавания». Резолюция Международной морской организации (IMO) А.857(20) «Руководство по службам движения судов». «Руководство по службам движения судов» Международной Ассоциации маячных служб (IALA VTS Manual)/ «Положение о системах управления движением судов» Министерства транспорта Российской Федерации. Резолюция IMO А.823(19) «Эксплуатационные требования к средствам автоматической радиолокационной прокладки (САРП)». Резолюция IMO MSC.74(69) Приложение 3. «Рекомендации по эксплуатационным требованиям к универсальной судовой автоматической идентификационной системе (АИС)». «Руководство по Автоматической идентификационной системе (АИС)» Международной Ассоциации маячных служб (IALA Guidelines on AIS). «Судовое оборудование универсальной АИС. Временные технико-эксплуатационные требования» Службы морского флота Министерства транспорта Российской Федерации № МФ-02-22/848-62. «Системы управления движением судов. Тактико-эксплуатационные требования» Службы морского флота Министерства транспорта Российской Федерации № МФ 02-22/848-70. СУДС предназначены для выполнения следующих функций: обеспечение безопасности судоходства в сложной навигационной обстановке, контроль за соблюдением режимов плавания; организация и регулирование судоходства в акваториях портов и на подходах к ним, особенно на сложных для судоходства фарватерах; получение оперативной информации о судоходстве в приграничных и трансграничных акваториях с целью обеспечения эффективной деятельности пограничных и таможенных служб; техническое сопровождение поисково-спасательных мероприятий, устранение последствий экологических и техногенных катастроф. В пределах акваторий, на которые распространяется действие СУДС, система автоматизированного управления движением судов обеспечивает выполнение своих функций, наделяется определенными правами, полномочиями и ответственностью По району действия, особенностям организации и реализуемым функциям СУДС классифицируются на три вида: портовые; прибрежные; региональные. Район действия портовой СУДС включает акваторию обслуживаемого порта и основные пути движения судов на подходе к порту. Портовые СУДС могут обслуживать несколько портов, имеющих общие подходные пути и (или) акватории общего пользования. Районом действия прибрежной СУДС является акватория, расположенная во внутренних водах, территориальном море и прилежащей зоне Российской Федерации, включая расположенные на ней транзитные пути движения судов, района промысла морепродуктов и добычи полезных ископаемых на шельфе. Региональная СУДС образуется на основе информационной интеграции и скоординированной деятельности нескольких портовых, или портовых и прибережных СУДС. В этом случае в район ответственности СУДС включаются районы действия портовых и прибрежных СУДС, образующих региональную СУДС. Для организации повседневной деятельности, эксплуатации технических средств, для размещения оборудования и персонала в составе СУДС формируются Центры СУДС и радиотехнические посты СУДС. Радиотехнические посты (РТП) СУДС предназначены для обеспечения Центров СУДС информацией о навигационной обстановке в районе действия СУДС, могут иметь обслуживающий персонал или быть необслуживаемыми (автономными) и дистанционно управляемыми из Центров СУДС.
Целевым назначением Центров СУДС является обработка информации, организация деятельности операторов СУДС и взаимодействия СУДС с судами. Территориально Центр СУДС может быть совмещен с одним из РТП.
Прибрежные СУДС и СУДС крупных портов могут иметь в своем составе несколько Центров (Субцентров), обслуживающих смежные секторы общего района действия и осуществляющих между собой оперативный информационный обмен. Центры портовых и прибрежных СУДС, входящих в состав региональной СУДС, как правило, являются субцентрами региональной СУДС.
Модели объектов наблюдения на внутренних водных путях и их кластеризация
Любое техническое средство внешнего наблюдения характеризуется тем, что в принимаемом им сигнале отображаются параметры не всего наблюдаемого объекта, а лишь определенной его части (модели), зависящей от выбранного способа наблюдения /45/. При использовании радиолокационных средств наблюдения такую модель будем называть радиолокационной моделью надводного объекта. Определим возможные типы РЛМ, т.е. проведем их классификацию.
Задача кластеризации (классификации) некоторой совокупности объектов или явлений заключается в их разделении на конечное, обычно, небольшое число кластеров (классов, подклассов), каждая их которых объединяет объекты, близкие по важнейшим их характеристикам, принимаемым в качестве критерия кластеризации. При решении такой задачи прежде всего необходимо установить, какие характеристики объектов в создаваемой классификации считаются важнейшими, а также выработать критерии кластеризации, определяющие близость или различия объектов по этим характеристикам.
Многочисленные исследования, например /46, 47, 48, 49, 50/, показывают, что основными характеристиками объектов наблюдения, влияющими на отраженные от них радиолокационные сигналы, являются геометрические характеристики, описывающие размеры и конфигурации этих объектов, а также их эффективная площадь рассеяния (ЭПР). Поскольку ЭПР является функцией от указанных геометрических характеристик, кластеризацию РЛМ целесообразно проводить на базе последовательного применения критериев, устанавливающих определенные соотношения между ними: Геометрическим размерам объектов; Характеристикам конфигурации; Характеристикам ЭПР. При кластеризации РЛМ по их геометрическим характеристикам необходимо учитывать, что обрабатываемые в РТП эхо-сигналы определяются не только указанными характеристиками РЛМ, но и параметрами самой РЛС, регламентирующими ее потенциальные возможности с точки зрения обеспечения наблюдения. Такие параметры РТП следует распределить по следующим группам: Параметры, определяющие возможные дальности и направления наблюдения; Параметры, характеризующие детальность отображения в РТП конфигурации наблюдаемых объектов. Первая группа параметров обобщенно задается областью окружающего антенну РТП пространства, в которой обеспечивается наблюдения данного объекта /51/. Для обзорного радиолокатора РТП такими параметрами являются минимальная и максимальная дальности наблюдения (обнаружения) данного объекта. Очевидно, что эта группа параметров является зависимой от таких параметров локатора, как мощность передатчика, чувствительность приемного устройства, длина волны излучения и собственные характеристики используемых в РТП высокочастотных устройств /52/.
Для определения второй группы параметров РТП представим произвольный объект наблюдения состоящим из отдельных фрагментов, геометрические характеристики каждого из которых не находят непосредственного отображения в принимаемом эхо-сигнале /53/. Это позволяет в качестве искомых параметров радиолокатора РТП рассматривать такие, которые определяют возможную детальность отображения (разрешения) в ней взаимного положения указанных фрагментов наблюдаемого объекта. Радиолокационную модель каждого такого фрагмента можно представить точкой пространства, условно обладающей величиной ЭПР, присущей рассматриваемому фрагменту объекта. Такую РЛМ уместно назвать точечной, а наблюдаемый объект, представляемый этой РЛМ — точечным объектом /54/. Следовательно, в качестве второй группы параметров РТП можно рассматривать характеристики ее потенциальной разрешающей способности по координатам при наблюдении точечного объекта. Очевидно, что наиболее представительным примером этой группы параметров является длина волны рабочего излучения РЛС. Характеристики разрешающей способности радиолокатора РТП определяются ее «разрешающим объемом», который можно характеризовать как некоторую область окружающего пространства, при расположении в которой точечного объекта значение мощности отраженного от него сигнала на входе приемного устройства РТП, отсчитываемое в заданный момент времени, будет не ниже некоторого, наперед заданного, порогового значения (Р„ор).
При известных геометрических характеристиках разрешаемого объема радиолокатора РТП понятие точечной РЛМ можно положить в основу их кластеризации по размерам. Действительно, к классу точечных будут относиться РЛМ, геометрическими размерами которых модно пренебречь по сравнению с размерами разрешаемого объема РЛС. Остальные РЛМ будем относить к классу распределенных по той причине, что каждую из них можно представить совокупностью точечных РЛМ, некоторым образом распределенных в пространстве.
Последующую кластеризацию распределенных РЛМ по их размерам поясняет рис. 2.1., где к классу сосредоточенных отнесены РЛМ, любой размер которых, не удовлетворяющий определению точечной РЛМ, соизмерим в соответствующим размером разрешаемого объема РЛМ; подкласс протяженных образуют РЛМ, имеющие хотя бы один из размеров, значительно превышающий соответствующий размер разрешаемого объема радиолокатора РТП.
Кластеризацию распределенных РЛМ или любого из их кластеров по характеристикам конфигурации можно осуществить в зависимости от вида геометрической фигуры, образуемой точечными элементами РЛМ /55/. При этом целесообразно выделить кластеры линейных, поверхностных и объемных РЛМ.
Теоретические основы пространственно-временного моделирования характеристик высокочастотных устройств с последовательным питанием
В процессе проведенных во втором разделе диссертации исследований получены следующие результаты: 1. Разработано понятие радиолокационной модели наблюдаемого объекта, представляющей его пространственный образ, полученный в результате обработки отраженного сигнала, т.е. при решении обратной радиолокационной задачи. Показано, что кластеризацию РЛМ следует проводить на базе последовательного применения критериев, устанавливающих определенные соотношения между их размерами, характеристиками конфигурации, характеристиками ЭПР. 2. Разработана схема кластеризации радиолокационных объектов по их геометрическим характеристикам, включающая наряду с широко используемыми точечными и распределенными объектами сосредоточенные радиолокационные объекты. Уточнены известные понятия точечного и распределенного радиолокационных объектов; определены сосредоточенные, протяженные, объемные, поверхностные и линейные объекты. Установлены критерии кластеризации радиолокационных объектов по их размерам и другим геометрическим характеристикам . 3. На основании известного понятия диаграммы направленности РЛС уточнены параметры разрешенного объема импульсной РЛС и определены практические методы кластеризации радиолокационных моделей наблюдаемых объектов. 4. Показано, что в случае использования береговых РТП наблюдаемые суда представляются сосредоточенной радиолокационной моделью, т.е. они обычно являются не точечными, а распределенными объектами. Для целей практического использования разработана обобщенная квазилинейная радиолокационная модель судна; определены ее геометрические характеристики и отражающие свойства. Установлена адекватность геометрических характеристик такой РЛМ ряду параметров представляемого ею судна: координаты геометрического центра, длина, угол ориентации. 5. Применением статистической теории рассеяния электромагнитной энергии телами сложной формы к сосредоточенным РЛМ с учетом динамики их облучения антенной РЛС синтезированы аналитические модели амплитудно-временной структуры радиолокационных эхо-сигналов от надводных объектов, в том числе получены выражения для огибающей пачки и каждого составляющего ее радиоимпульса. 6. Рассмотрены особенности амплитудно-временной структуры радиолокационных сигналов от надводных объектов. Установлено, что радиоимпульсы пачки от сосредоточенного надводного объекта (судна) в отличие от точечного объекта могут различаться между собой не только амплитудой, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Это значительно ограничивает возможности использования в СУДС методов обработки радиолокационной информации, оптимальных для точечных объектов. 7. Выявлена существенная зависимость амплитудно-временной структуры радиолокационных эхо-сигналов надводных объектов не только от их геометрических характеристик, но и от интервала автокорреляции процесса флуктуации полной ЭПР объекта во время его наблюдения. Угловое разрешение РТП пропорционально X/L, а разрешение по дальности — 1/Т. В то же время, в высокочастотных устройствах с последовательным питанием увеличение длины антенны L неизбежно приводит к сужению ее полосы пропускания, что ограничивает минимальную длительность Т импульсов, с которой возможна работа такой антенны /65, 66/. При разработке РЛС важно определить допустимое соотношение длины антенны и длительности импульса передатчика. При этом в качестве критериев можно применять либо раздельно параметры искажения диаграммы направленности (уровень боковых лепестков, коэффициент расширения главного лепестка) или импульса, либо интегральные параметры, такие как импульсный объем /47/. Кроме того, как будет показано, весьма существенным является правильный выбор полосы пропускания приемника. К первым работам в этом направлении можно отнести /67/. В ней применен анализ высокочастотных излучающих устройств береговых РТП во временной области и выведена формула для переходной импульсной характеристики антенн с последовательным питанием. Аналогичный подход использовался и в работах /68, 69/. Анализ во временной области был выполнен также в /70/. Анализ в частотной области проведен в /71/, получены зависимости КНД и УБЛ антенны от длительности импульса и ширины полосы пропускания приемника. В основном, все результаты в этих работах относились к антенне с равномерным амплитудным распределением (АР), приводятся также некоторые параметры для высокочастотных устройств со спадающим к краям (близким к косинусному) АР.
В параграфе 3.1 настоящей главы выведены основные теоретические соотношения, позволяющие анализировать и моделировать пространственно-временные характеристики высокочастотных устройств с последовательным питанием. В параграфе 3.2 обсуждаются результаты моделирования влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности. В параграфе 3.3 проведен анализ зависимостей коэффициентов расширения луча, импульса от соотношения длины антенны и длительности импульса, получено выражение для минимально достижимого импульсного объема.
Требования к техническим характеристикам высокочастотных устройств береговых РТП
Как следует из /4 / и /72, 73/, береговые РТП СУДС и РЛС управления наземным движением и контроля за ним устанавливаются на вышках или крышах зданий на высоте не менее 30 м. и предназначены для работы в составе систем управления движением судов. Береговые РТП СУДС должны обеспечивать на расстоянии 2000 м. разрешение не более 15 м. как по азимуту, так и по дальности. Зона обнаружения от 90 м до 5000 м в режиме кругового обзора. Для этого высокочастотные устройства береговых РТП должны иметь следующие характеристики: узкую ( 0,4) диаграмму направленности в азимутальной плоскости с низким уровнем боковых лепестков, что обеспечивает высокое угловое разрешение; зауженную в угломестной плоскости диаграмму направленности с «косекансным» склоном, обеспечивающую равномерное облучение по дальности всей зоны обзора и имеющую низкий уровень боковых лепестков в верхнем полупространстве; высокое усиление (ориентировочно 20000), что позволяет обнаруживать цели с эффективной поверхностью рассеивания от 1 м на расстояниях до 5000 м; низкий уровень боковых лепестков ( -27 дБ), так как динамический диапазон эффективных поверхностей рассеивания целей, подлежащих обнаружению, очень широк; малое удлинение передаваемого импульса в режимах коротких (1(Ь-50 не) импульсов, что обеспечивает требуемое высокое разрешение по дальности. Как правило, обзорные радиолокаторы береговых РТП работают в диапазонах сантиметровых волн. Их высокочастотные излучающие устройства построены по традиционной схеме рупорной антенны, возбуждаемой прямоугольным волноводом с наклонными щелями в узкой стенке. Волновод используется в режиме бегущей волны с питанием с одного конца и нагрузкой на втором.
Переход в миллиметровый диапазон волн позволяет существенно улучшить характеристики антенн /74, 75/.
Например, при переходе из 3-х см диапазона в 8-мм диапазон длина волны \ уменьшается в 4 раза и при вдвое меньших размерах антенны (L), как показано на рис. 4.1, реализуется вдвое лучшее угловое разрешение (Д0=65 X/L) не только в дальней зоне, но так же и в ближней (до 500 м), что существенно для береговых РТП /76/. В миллиметровом диапазоне реализуемые значения усиления антенн значительно больше, чем в сантиметровом, что в сочетании с меньшим импульсным объемом (за счет сужения ДН) в значительной степени компенсирует увеличение потерь на распространение волн в дожде. В тоже время в антеннах с последовательным питанием при уменьшении длины антенны в меньшей степени удлиняется излучаемый импульс, что повышает разрешение по дальности.
В настоящее время автором завершена разработка и организовано производство серии антенн 8-мм диапазона длин волн для береговых радиотехнических постов СУДС, судовых РЛС, а также для РЛС обзора летного поля (РЛС ОЛП) /74, 76/. Состав серии и основные характеристики высокочастотных устройств РТП СУДС приведены в таблице 4.1, а фотографии на рис. 4.2 — 4.5.
