Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение проблемы безопасности мореплавания имеет огромное значение для эффективной работы морского транспорта — важной отрасли экономики страны и её экономических связей. Эта проблема является первостепенной, комплексной и включает меры нормативного, организационного, технического и технологического характера. Одной из важнейших составляющих решения проблемы безопасности мореплавания и эффективности навигации является применение технических средств судовождения (ТСС) как на судах, так и в рамках береговой инфраструктуры, решающей задачи организации и обеспечения движения судов. К таким ТСС, без которых немыслимо функционирование современного морского флота, относятся судовые радиолокационные станции (РЛС), средства автоматизированной радиолокационной прокладки (САРП), судовые навигационные автоматизированные комплексы (НАК), береговые системы управления движением судов (СУДС), радиолокационные маяки-ответчики и т.д.
В связи со сказанным весьма актуальными являются исследования, направленные как на разработку новых перспективных ТСС и методов их применения, так и на совершенствование эксплуатационных характеристик существующих приборов и средств обеспечения безопасности мореплавания. Проведение таких исследований возможно по различным направлениям.
В настоящее время для береговых систем управления движением судов выпускаются импульсные РЛС типа «Ряд-А326б» (частота - 8880-9250 МГц, импульсная мощность - 20 КВт и т.д.) и «Нева» и другие, построенные, в основном, на схожих принципах. К действующим импульсным судовым РЛС относятся: РЛС типа «Нева» (частота - 33850 МГц, импульсная мощность -12 КВт, шкалы дальности — от 0.125 до 24 миль), «Наяда-25М1» (длина волны - 3 см, импульсная мощность - 10 КВт, шкалы дальности 18 миль, 96 миль) и другие.
Современные береговые импульсные РЛС, несмотря на высокую степень совершенства, имеют основной недостаток, состоящий в том, что они не способны отличить быстро движущиеся морские объекты от неподвижных объектов и определять оперативно скорости и координаты траектории их движения. Обзор действующих современных береговых и судовых РЛС приводит к выводу, что в настоящее время в ТСС не находят применения доплеровские РЛС непрерывного действия и импульсно-когерентные. Между тем с появлением быстроходных судов и быстроходных морских катеров на воздушных подушках, подводных крыльях и пластиковых катеров глиссирующего типа (малогабаритные морские объекты) навигационная обстановка существенно усложнилась на дальних и ближних подступах к акватории порта. В перспективе эта тенденция будет только развиваться. Решение этой проблемы возможно с помощью когерентных доплеровских РЛС непрерывного действия и импульсно-когерентных, не находящих в настоящее время применения в ТСС.
В связи с этим разработка новых ТСС на базе береговых когерентных доплеровских РЛС непрерывного и импульсного действия приобретает особую важность и актуальность.
Технические возможности серийных РЛС непрерывного действия не обеспечивают надёжное обнаружение и измерение скоростей быстроходных морских судов и быстроходных малогабаритных морских объектов, движущиеся со скоростями десятки километров в час с малым доплеровским сдвигом частоты (десятки - сотни герц). Это связано с тем, что приём и обработка полезного сигнала происходит на фоне интенсивных помеховых отражений сигналов от неподвижных судов, водной и береговой поверхности, содержащих фазовые шумы передатчика РЛС. Создание малошумящих доплеровских береговых когерентных РЛС импульсного и непрерывного действия возможно при кардинальном снижении собственных фазовых флуктуации передатчика и приёмника, чем в известных аналогах. Фазовые флуктуации характеризуются значением спектральной плотности мощности флуктуации в одной боковой полосе на выбранной частоте анализа от средней частоты колебаний (энергетический спектр фазовых флуктуации). Для обнаружения и измерения скорости и координат морских объектов, движущихся со скоростями десятки километров в час, требуется кардинальное снижение фазовых шумов передатчика до уровня — (14СН-145) дБ/Гц на частоте анализа 1 кГц и фазовых шумов приёмника по сравнению с типовыми приёмниками на 20 - 30 дБ.
Таким образом, разработка и создание малошумящих элементов и новых схем построения береговых малошумящих когерентных доплеровских систем радиолокации является крупной научно-технической проблемой, вносящей важный вклад в проблему безопасности мореплавания.
Цели и основные задачи работы. Целью данной работы является решение крупной научно-технической проблемы — разработка основ теории и методов расчета ряда оригинальных малошумящих элементов радиоэлектронных устройств и новых схем построения когерентных малошумящих транспортных РЛС для системы обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.
Для достижения поставленной цели в диссертации предлагается решение следующих основных задач:
-
Разработка основ теории и схем построения новых высокочувствительных частотных (фазовых) детекторов с амплитудными модуляторами разных типов и генератором сдвига с учётом собственных амплитудных и фазовых шумов элементов функциональной схемы.
-
Разработка основ теории и схем построения новых высокочувствительных измерителей фазовых (частотных) флуктуации, которые могут служить приёмными устройствами когерентных доплеровских РЛС.
-
Разработка методики идентификации источников фликкер—шумов биполярных транзисторов и транзисторных структур, способствующей разработке и созданию малошумящих транзисторных устройств высоких и сверхвысоких частот (ВЧ и СВЧ).
4. Разработка основ теории стационарного режима и флуктуации новых малошумящих схем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) с амплитудными модуляторами разных типов и генератором сдвига, предназначенных для создания сверхмалошумящих источников когерентных колебаний доплеровских РЛС и для выполнения различных радиотехнических операций.
Методы исследования. При решении поставленных научных задач использовались методы теории спектрального и корреляционного анализа случайных процессов, методы математического моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна работы состоит в следующем:
в разработке новых типов малошумящих частотных (фазовых) детекторов с амплитудными модуляторами разных типов и генератором сдвига, используемых в приёмо - передающих устройствах когерентных доплеровских РЛС;
в обнаружении и объяснении нового механизма фазового детектирования в частотном (фазовом) детекторе с балансным амплитудным модулятором и генератором сдвига, позволившего объяснить компенсацию собственных фазовых шумов смесителя и усилителя промежуточной частоты;
в экспериментальном подтверждении механизма компенсации собственных фазовых шумов смесителя и усилителя промежуточной частоты, используемых в сверхмалошумящих приёмных устройствах когерентных доплеровских РЛС;
в разработке высокочувствительного частотного детектора с балансным амплитудным или однополосным амплитудным модулятором и генератором сдвига, используемого в функциональной схеме частотной автоматической подстройки частоты (ЧАПЧ) транзисторного автогенератора СВЧ.
-в разработке и создании новой схемы ФАПЧ с амплитудным модулятором и генератором сдвига (ГФАГТЧ), используемого в качестве многофункционального элемента радиоэлектронной аппаратуры;
в разработке на базе ГФАПЧ функциональной схемы компенсации фазовых шумов и компенсирующей цепи обратной связи, обеспечивающей радикальное (на 20 — 30 дБ) снижение фазовых шумов выходных колебаний в диапазоне СВЧ;
в разработке устройств компенсации (на 20 — 30 дБ) собственных фазовых шумов мощного малошумящего усилителя СВЧ;
в разработке новых функциональных схем когерентных малошумящих доплеровских РЛС непрерывного и импульсного действия.
Практическая ценность работы состоит:
в разработке и создании новых высокочувствительных частотных (фазовых) детекторов с амплитудными модуляторами разных типов и генератором сдвига;
в разработке и создании высокочувствительных измерителей фазовых (частотных) флуктуации с малошумящими частотными (фазовыми) детекто-
рами с амплитудными модуляторами разных типов и генератором сдвига;
в разработке, создании и исследовании малошумящих схем ГФАПЧ как многофункциональных элементов радиоэлектронной аппаратуры;
в разработке метода генерирования мощных и маломощных высокостабильных по частоте СВЧ колебаний с низким уровнем фазового шума системы порядка - (140+145) дБ/Гц на частоте анализа 1 кГц;
- в разработке способа снижения фликкер-шумов СВЧ транзисторного
автогенератора и усилителя, основанного на существенном ослаблении реге
нерации шумов и коэффициентов воздействия источников фликкер-шумов
на флуктуации частоты (фазы) СВЧ колебаний.
в разработке новой схемы сверхмалошумящей когерентной береговой РЛС непрерывного действия, основанной на использовании новых сверхмалошумящих элементов;
в разработке новой схемы сверхмалошумящей когерентно-импульсной береговой РЛС, основанной на использовании новых сверхмалошумящих элементов;
в использовании результатов научных работ автора в учебном процессе при чтении лекций, постановке лабораторных работ, руководстве бакалаврскими работами и дипломными проектами, научно-исследовательской работой студентов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Принципы построения новых малошумящих частотных (фазовых) де
текторов.
2. Принципы построения новых высокочувствительных измерителей
частотных (фазовых) флуктуации.
-
Принципы построения новых малошумящих схем ГФАПЧ.
-
Метод расчёта параметров стационарного режима и флуктуации амплитуды и фазы петли ГФАПЧ, основанный на аппроксимации спектра фазовых флуктуации сигнального генератора.
-
Методы построения источников мощных СВЧ колебаний с высокой долговременной стабильностью частоты и низкими уровнями фазовых шумов.
-
Новые схемы береговых малошумящих когерентных РЛС непрерывного и импульсного действия для обнаружения и измерения скорости и координаты траектории движения быстроходных судов и быстроходных малогабаритных объектов.
Личный вклад соискателя заключается:
в постановке задач и разработке методики их решения;
в разработке и обосновании математических моделей новых детекторов фазовых (частотных) флуктуации, устройств ЧАПЧ и ФАПЧ с новыми типами частотных (фазовых) детекторов, находящихся под воздействием собственных шумов;
в разработке и обосновании функциональных схем малошумящих когерентных береговых РЛС непрерывного и импульсного действия.
в организации, планировании и проведении исследований в экспериментальных установках;
в обработке, анализе и обобщений данных экспериментальных исследований источников СВЧ колебаний.
Исследования, результаты которых составили начальную основу диссертационной работы, являются частью НИОКР. Работы выполнялись по постановлениям директивных органов, в том числе по постановлениям правительства в соответствии с планами НИР и ОКР министерств. Среди них наиболее значимые работы:
- по хоздоговору с ПО « Электровакуумный завод» (г. Новосибирск,
1973-1980 гг.);
- по хоздоговору с ПО «Керамика» (г. Рига, 1982 - 1989 гг.).
Публикации и апробация работы. Диссертационная работа обобщает
научные исследования автора за период с 1972 по 2006 гг. Основные результаты диссертации были представлены на российских и международных конференциях и отражены в монографии и в публикациях.
Общий объём публикаций в изданиях Перечня ВАК 8,7 п.л., опубликована одна монография и получен один патент на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из девяти разделов, введения и заключения, изложенных на 400 страницах. Список литературы насчитывает 131 наименований.
