Разработка и расчет радиолокационного приемного устройства для систем визуального определения объектов

В мире, где скорость и точность информации играют решающую роль, радиолокация остается одним из столпов современных технологий обнаружения, навигации и безопасности. Системы визуального определения объектов, будь то в авиации, морском судоходстве, автономном транспорте или метеорологии, критически зависят от способности радиолокационных станций (РЛС) «видеть» сквозь темноту, туман и другие атмосферные помехи, где оптические средства бессильны. От фундаментальных принципов отражения электромагнитных волн до сложнейших алгоритмов цифровой обработки сигналов, радиолокация продолжает развиваться, предлагая беспрецедентные возможности для мониторинга окружающего пространства.

Настоящая курсовая работа посвящена углубленному исследованию и расчету радиолокационных приемных устройств (РПрУ) — сердца любой РЛС, ответственного за улавливание едва различимых отголосков зондирующего сигнала. Целью работы является разработка структурированного подхода к проектированию РПрУ для систем визуального определения объектов, а также детальный расчет его ключевых параметров. В ходе исследования будут рассмотрены фундаментальные основы радиолокации, типовые структурные схемы приемников, методики расчета чувствительности, коэффициента шума и максимальной дальности действия, а также факторы, влияющие на помехоустойчивость и современные тенденции в развитии РПрУ. Обоснование выбора схемотехнических решений и учет актуальных требований к элементной базе цифровой обработки сигналов позволят получить полное представление о сложности и многогранности процесса создания высокоэффективных радиолокационных систем.

Фундаментальные основы радиолокации и РПрУ

Наше путешествие в мир радиолокации начинается с понимания ее основ. Радиолокация, как область радиотехники, является искусством и наукой использования электромагнитных волн для обнаружения объектов, определения их местоположения, скорости и других параметров в пространстве. Этот принцип, казалось бы, простой, лежит в основе сложнейших систем, способных работать в условиях, недоступных для человеческого зрения, и обеспечивает непрерывный мониторинг окружающего пространства.

Принципы радиолокационного наблюдения

В основе радиолокационного наблюдения лежит процесс, при котором РЛС, или радиолокатор, излучает электромагнитные волны, которые, столкнувшись с объектом, отражаются от него и возвращаются обратно к приемнику. Анализируя характеристики этих отраженных сигналов – время задержки, частотный сдвиг, амплитуду – можно получить информацию о дальности до объекта, его скорости, угловых координатах и даже о его размере и форме.

Радиоприемное устройство (РПрУ) в этом процессе играет ключевую роль. Его основные задачи включают:

• Частотная селекция: Выделение слабых отраженных сигналов из общего шумового фона и множества других радиосигналов.
• Усиление и преобразование по частоте: Доведение уровня принятого сигнала до величины, достаточной для дальнейшей обработки, и перевод его на более низкую, удобную для усиления и фильтрации промежуточную частоту.
• Детектирование: Извлечение информации из высокочастотного сигнала, преобразование его в низкочастотный видеосигнал.
• Обработка сигналов: Применение алгоритмов для подавления помех, улучшения отношения сигнал/шум и подготовки данных для отображения.

Различают два основных типа радиолокации по способу взаимодействия с объектом:

• Активная радиолокация основана на излучении зондирующего сигнала и приеме его отражений (эхо-сигналов) от объектов. Это наиболее распространенный вид, где РЛС является как источником, так и приемником сигнала.
• Пассивная радиолокация основана на приеме собственного излучения объекта, которое он может испускать из-за своей температуры, работы бортовых систем или других физических процессов. Такие РЛС не излучают собственный сигнал, а только слушают.

Сравнительный анализ первичной и вторичной радиолокации

В активной радиолокации дополнительно выделяют первичные и вторичные системы, которые кардинально отличаются подходом к взаимодействию с целью и, как следствие, требованиями к мощности передатчика.

Первичные радиолокаторы работают с пассивным эхо-сигналом. Они излучают мощные высокочастотные импульсы, которые распространяются в пространстве, отражаются от цели и возвращаются к приемнику той же РЛС. Отраженный сигнал является лишь малой частью излученной энергии, поскольку он ослабляется как при прямом, так и при обратном распространении. В уравнении радиолокации для первичных систем дальность до цели R связана с мощностью излучения P_изл зависимостью R⁴. Это означает, что для увеличения дальности вдвое требуется увеличить излучаемую мощность в 16 раз! Какой важный нюанс здесь упускается? Кажущаяся незначительность отраженного сигнала на больших расстояниях становится главной проблемой для первичных РЛС, требуя колоссальных энергетических затрат, что существенно удорожает и усложняет их создание.

Вторичные радиолокационные устройства, напротив, используют активные ответные сигналы. В них РЛС излучает запрос, который принимается специальным бортовым ответчиком (транспондером), установленным на цели (например, на самолете). Ответчик обрабатывает запрос и излучает свой собственный ответный сигнал, как правило, на другой частоте, который может содержать дополнительную информацию (например, идентификационный код, высоту полета).

Количественное обоснование различий в требованиях к мощности передатчика:
Фундаментальное отличие заключается в зависимости принимаемой мощности от дальности:

• Для первичных РЛС, мощность принятого эхо-сигнала пропорциональна P_изл / R⁴. Это объясняется двойным прохождением сигнала: один раз от РЛС к цели, и один раз обратно от цели к РЛС.
• Для вторичных РЛС, запрос от РЛС к цели ослабляется как P_{изл_запрос} / R². Однако ответный сигнал от ответчика на цели излучается с собственной мощностью P_отв, и его распространение до РЛС также ослабляется как P_отв / R². Таким образом, принимаемый РЛС ответный сигнал пропорционален P_отв / R².
• Если ответчик сам активно формирует сигнал (как в случае бортового передатчика), то зависимость может быть даже ближе к R¹, если учитывать только одностороннее распространение сигнала от объекта к приемнику.

Это означает, что для достижения той же максимальной дальности, вторичным РЛС требуется существенно меньшая мощность передатчика. Например, если первичная РЛС требует 1 МВт для дальности 100 км, то для вторичной РЛС, работающей по принципу R², для той же дальности может потребоваться мощность в десятки или даже сотни раз меньше, поскольку ответный сигнал излучается активно с цели, а не является лишь отражением зондирующего. Такая разница в требованиях к мощности передатчика является критически важной для создания компактных, экономичных и высокоэффективных систем.

Обобщенная структурная схема импульсного радиолокатора

Для понимания работы РПрУ необходимо рассмотреть его место в общей архитектуре РЛС. Типовой импульсный радиолокатор представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких взаимосвязанных блоков:

1. Синхронизатор: Сердце РЛС, генерирующее все временные метки, синхронизирующие импульсы и стробы, которые определяют последовательность работы всех остальных блоков. Он задает начало излучения зондирующего сигнала, время включения приемника и длительность стробов обработки.
2. Модулятор: Формирует импульсы напряжения или тока для возбуждения передатчика в нужный момент, обеспечивая заданную длительность и форму зондирующего импульса.
3. Передатчик (ПРД): Генерирует и усиливает высокочастотный радиосигнал до требуемой мощности. От его параметров зависит дальность действия и энергетический потенциал РЛС.
4. Антенная система (АНТ): Универсальное устройство, которое в импульсных РЛС используется как для излучения зондирующего сигнала, так и для приема отраженных эхо-сигналов.
5. Антенный переключатель (АП): Специальное устройство, которое в режиме передачи соединяет антенну с передатчиком, а в режиме приема – с приемником. Его ключевая задача – защитить высокочувствительный приемник от повреждения мощным излучаемым импульсом передатчика.
6. Приемник (ПРМ): Блок, отвечающий за прием, усиление, преобразование и первичную обработку слабых эхо-сигналов. Его параметры (чувствительность, коэффициент шума) во многом определяют максимальную дальность и помехоустойчивость РЛС.
7. Система управления и синхронизации: Координирует работу всех блоков, обеспечивая их согласованное функционирование.
8. Система обработки: Анализирует принятые и обработанные сигналы, выделяет полезную информацию, подавляет помехи и формирует данные для отображения на индикаторном устройстве.

Принцип работы радиолокатора прост: передатчик излучает короткий мощный импульс радиоволн через антенну. Затем антенный переключатель мгновенно переключает антенну на приемник. Радиоволны распространяются, отражаются от объектов и возвращаются к антенне, где их улавливает приемник. Система обработки анализирует задержку между излучением и приемом, а также другие характеристики сигнала, чтобы определить положение, скорость и тип объектов. Важно, что радиолокация позволяет «видеть» объекты независимо от освещенности и погодных условий, что делает ее незаменимой технологией.

Структурные схемы и элементы РПрУ

Как было отмечено, приемник является ключевым элементом любой РЛС, и его архитектура напрямую влияет на общую производительность системы. Рассмотрим типовые схемы и функционал его составных частей.

Выбор и обоснование структурной схемы РПрУ

На протяжении десятилетий в радиолокации доминирует супергетеродинный принцип приема, и не случайно. Типовой структурной схемой приемной системы радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов является именно супергетеродинный приемник, поскольку его главное достоинство заключается в способности переносить спектр принимаемого сигнала из высокочастотной (ВЧ) области в область фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с помощью местного генератора – гетеродина.

Почему это так важно?

• Усиление на ПЧ: Основное усиление и частотная селекция осуществляются на промежуточной частоте. Это позволяет строить многокаскадные усилители промежуточной частоты (УПЧ) с высокой стабильностью параметров, поскольку они работают на одной, заранее известной частоте, что значительно упрощает их проектирование и настройку.
• Высокая избирательность: На ПЧ гораздо легче реализовать фильтры с требуемой частотной характеристикой, близкой к идеальной (например, прямоугольной), что обеспечивает эффективное выделение полезного сигнала и подавление помех.
• Удобство обработки: Сигналы на ПЧ имеют значительно более низкую частоту по сравнению с входной радиочастотой, что упрощает их дальнейшую обработку, в том числе цифровую.

В супергетеродинном приемнике усиление сигнала происходит на трех основных этапах: на радиочастоте (в преселекторе), на промежуточной частоте (в УПЧ) и на частоте модуляции (в УНЧ).

Функциональное назначение основных блоков РПрУ

Для детального понимания работы приемника разберем его ключевые блоки:

1. Входная цепь (преселектор): Это первый блок, к которому подключается антенно-фидерный тракт. Ее задачи:
   • Передача полезного СВЧ-сигнала к малошумящему усилителю или смесителю.
   • Предварительная частотная селекция – подавление мощных внеполосных сигналов и помех, которые могут перегрузить последующие каскады или создать интермодуляционные искажения.
   • Согласование импедансов антенны и первого каскада приемника для минимизации потерь сигнала.

   Входные цепи радиолокационных приемников часто выполняются на основе настроенных LC-контуров или резонаторов.

2. Малошумящий усилитель (МШУ): Располагается сразу после входной цепи (или является ее частью) и предназначен для первичного усиления чрезвычайно слабых принятых сигналов. Его критически важной характеристикой является низкий коэффициент шума, поскольку шум, внесенный на этом этапе, будет усилен всеми последующими каскадами и необратимо ухудшит чувствительность приемника.
3. Смеситель: Ключевой элемент супергетеродинной схемы. Здесь происходит нелинейное преобразование, при котором входной высокочастотный сигнал (f_вх) смешивается с сигналом гетеродина (f_гет), в результате чего на выходе формируются комбинационные частоты, среди которых выделяется промежуточная частота (f_пч = |f_вх — f_гет|).
4. Гетеродин: Местный генератор высокостабильного немодулированного сигнала, частота которого может быть перестраиваемой, чтобы обеспечить прием в широком диапазоне входных частот при постоянной промежуточной частоте. Стабильность частоты гетеродина напрямую влияет на точность и избирательность приемника.
5. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ): Основной усилительный и селективный тракт приемника. Поскольку он работает на фиксированной ПЧ, здесь можно реализовать максимальное усиление и обеспечить требуемую форму частотной характеристики с помощью многозвенных полосовых фильтров. В РПрУ РЛС, чья чувствительность достигает 10^-13 – 10^-15 Вт, число каскадов УПЧ может доходить до 7–8. Для обеспечения высокой избирательности и формирования частотных характеристик, близких к прямоугольной, в УПЧ применяют LC-фильтры, монолитные пьезокерамические или электромагнитные фильтры.
6. Детектор: Преобразует усиленный модулированный сигнал промежуточной частоты в низкочастотный видеосигнал (или цифровой поток после АЦП), извлекая информацию, содержащуюся в модуляции. В радиолокации часто используются амплитудные или фазовые детекторы.
7. Усилитель низкой частоты (УНЧ) или аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с последующей ЦОС: После детектирования сигнал может быть либо дополнительно усилен для подачи на индикатор (в аналоговых системах), либо, что более характерно для современных РЛС, оцифрован и передан в блок цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Расчет основных параметров и характеристик РПрУ

Эффективность радиолокационного приемника определяется рядом ключевых технических характеристик, каждая из которых требует тщательного расчета и оптимизации на этапе проектирования.

Диапазон рабочих частот и коэффициент перекрытия

Диапазон рабочих частот — это спектральная область, в пределах которой РПрУ способно функционировать, перестраиваясь плавно или скачком с одной несущей частоты на другую без существенного ухудшения качества приема. Для радиолокационных систем, особенно многофункциональных, широкий диапазон рабочих частот позволяет адаптироваться к различным условиям эксплуатации, обходить помехи и работать с разными типами целей.

Количественно диапазон перестройки характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона (k_Д), который определяется как отношение максимальной рабочей частоты к минимальной:

kД = f0макс / f0мин

Где:

• f_0макс — максимальная частота настройки.
• f_0мин — минимальная частота настройки.

Например, k_Д = 2 означает, что приемник может работать в диапазоне, где верхняя частота вдвое превышает нижнюю.

Чувствительность РПрУ

Чувствительность — это одна из наиболее критичных характеристик РПрУ, определяющая его способность обнаруживать слабые сигналы. Она оценивается минимальным уровнем входного сигнала, при котором приемник способен обеспечить нормальную работу воспроизводящего устройства.

Различают предельную чувствительность (P_пр.min), которая соответствует такой минимальной мощности сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (например, на входе детектора) отношение мощности сигнала к мощности шума, равное единице.

Формула для предельной чувствительности приемника, ограниченной шумами, является краеугольным камнем в расчетах:

Pпр.min = k ⋅ T0 ⋅ Δfэф ⋅ Kш пр ⋅ n

Где:

• k = 1,38 ⋅ 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана.
• T₀ = 293 К — стандартная шумовая температура (соответствует 20 °C).
• Δf_эф — эффективная (шумовая) полоса пропускания РПрУ. Эта полоса определяет, какая часть шума проходит через приемник.
• K_{ш пр} — коэффициент шума РПрУ, характеризующий ухудшение отношения сигнал/шум самим приемником.
• n — коэффициент различимости (или коэффициент обнаружения). Этот параметр численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал может быть уверенно обнаружен оператором или автоматической системой. В инженерной практике коэффициент различимости (n) обычно выбирается таким, чтобы мощность порогового сигнала в 2-3 раза превышала мощность собственных шумов приемника. Это соответствует значению n от 2 до 3 (или 3 до 4,7 дБ в логарифмическом масштабе). Выбор этого коэффициента является компромиссом между вероятностью обнаружения (чем выше n, тем увереннее обнаружение) и вероятностью ложной тревоги (чем ниже n, тем выше риск ложных срабатываний).

Коэффициент шума РПрУ

Коэффициент шума каскада (K_ш или F) является мерой деградации отношения сигнал/шум при прохождении сигнала через этот каскад. Он показывает, во сколько раз ухудшится отношение P_С/P_Ш (сигнал/шум) на выходе каскада по сравнению с его входом. Идеальный (бесшумный) каскад имел бы K_ш = 1.

Для многокаскадного РПрУ суммарный коэффициент шума F_общ является критически важным параметром. Он рассчитывается по формуле Фрииса:

Fобщ = F1 + (F2 - 1) / G1 + (F3 - 1) / (G1 ⋅ G2) + ... + (Fn - 1) / (G1 ⋅ G2 ⋅ ... ⋅ Gn-1)

Где:

• F_i — коэффициент шума i-го каскада (в разах, не в децибелах).
• G_i — коэффициент усиления i-го каскада по мощности (также в разах).

Из этой формулы видно, что наибольший вклад в общий коэффициент шума вносит первый каскад, а вклад последующих каскадов уменьшается пропорционально усилению предыдущих. Именно поэтому первый каскад приемника (МШУ) проектируется с максимально низким коэффициентом шума.

Отношение сигнал/шум (SNR) и динамический диапазон

Отношение «сигнал/шум» (ОСШ — Signal-to-Noise Ratio) — это фундаментальная безразмерная величина, характеризующая качество принятого сигнала. Оно определяется как отношение средней мощности сигнала (P_С) к средней мощности шумов (P_Ш):

ОСШ = PС / PШ

Часто ОСШ выражается в логарифмическом масштабе (децибелах) для удобства работы с большими диапазонами значений:

ОСШ = 10 log10(PС / PШ) [дБ]

Если измеряются напряжения, то:

ОСШ = 10 log10((Uсигнал)2 / (Uшум)2) [дБ]

Динамический диапазон РПрУ — это диапазон мощностей входного сигнала, в пределах которого приемник способен работать без существенных искажений и с сохранением заданных характеристик. Для современных РЛС этот параметр крайне важен, поскольку они должны принимать как очень слабые сигналы от удаленных целей, так и мощные сигналы от близкорасположенных объектов или сильных помех. Требования к динамическому диапазону приемных систем современных РЛС составляют не менее 70-80 дБ. Расширение динамического диапазона достигается за счет:

• Повышения предельной чувствительности приемника.
• Применения автоматической регулировки усиления (АРУ).
• Использования специальных усилительных приборов с высокой линейностью.
• Цифровой обработки сигналов с широким разрешением АЦП.

Усилительные свойства приемника также характеризуются коэффициентом усиления по мощности (K_P) и коэффициентом усиления по напряжению (K_U), которые определяют, во сколько раз увеличивается мощность или напряжение сигнала на выходе приемника по сравнению со входом.

Основное уравнение радиолокации и максимальная дальность действия

Максимальная дальность действия (R_max) радиолокатора — это важнейшая характеристика, которая напрямую связывает энергетические параметры РЛС с минимальной чувствительностью ее приемника (P_Emin).

Основное уравнение радиолокации в его классической форме выглядит следующим образом:

Rmax = 4√((Pизл ⋅ G ⋅ σ ⋅ Aэфф) / ((4π)2 ⋅ PEmin ⋅ L))

Где:

• P_изл — излучаемая мощность передатчика [Вт].
• G — коэффициент усиления антенны.
• σ — эффективная площадь рассеяния цели [м²], характеристика отражающей способности цели.
• A_эфф — эффективная площадь антенны [м²].
• P_Emin — минимальная чувствительность приемника [Вт].
• L — коэффициент суммарных потерь, учитывающий все ослабления сигнала в тракте распространения и обработки.

Коэффициент суммарных потерь (L) включает в себя атмосферные потери (поглощение и рассеяние в атмосфере), потери на сканирование (если луч не всегда направлен идеально на цель), потери в фидерном тракте, потери на обработку сигнала и другие. Эти потери могут существенно снижать реальную дальность действия РЛС и обязательно должны учитываться при проектировании.

При электрическом расчете входной цепи приемника, помимо прочего, необходимо знать точные параметры антенны, а также входные параметры первого усилительного прибора и количество контуров во входной цепи. Точное согласование и минимизация потерь на этом этапе критически важны для достижения максимальной чувствительности.

Факторы, влияющие на чувствительность и помехоустойчивость

Работа радиолокационного приемника, особенно в реальных условиях, всегда сопряжена с необходимостью борьбы с различными видами шумов и помех. Именно эти факторы определяют предельную чувствительность и помехоустойчивость системы.

Собственные и внешние шумы приемника

Чувствительность РПрУ, как правило, определяется в идеальных условиях, то есть при отсутствии внешних помех. Однако даже в этом случае приемник не свободен от шумов.

Основные источники шума:

1. Тепловые шумы антенны и входной цепи: Приемная антенна, являясь источником сигнала, также передает во входную цепь приемника собственные тепловые шумы, обусловленные случайным движением электронов в проводниках при ненулевой температуре. Мощность шума на входе приемника N может быть выражена как:

   N = k ⋅ T ⋅ Δfпр ⋅ Kш ⋅ n

   Где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура приемника, Δf_пр — полоса пропускания приемника, K_ш — коэффициент шума приемника, n — коэффициент различимости.

2. Собственные шумы элементов приемника: Каждый активный элемент (транзистор, диод, микросхема) внутри приемника генерирует свой собственный шум. Мощность шума на выходе приемника всегда будет больше, чем предсказывает идеальное уравнение, из-за этого внутреннего шума. Общий шум на выходе приемника N_вых определяется по формуле:

   Nвых = G ⋅ Fобщ ⋅ k ⋅ T ⋅ B

   Где G — общее усиление приемника, F_общ — общий коэффициент шума приемника, k — постоянная Больцмана, T — температура (обычно шумовая температура приемника), B — шумовая полоса пропускания системы.
   Как видно из формулы Фрииса, вклад в общий шум от первых каскадов наиболее значителен, что подчеркивает важность использования малошумящих усилителей (МШУ) на входе РПрУ.

Дополнительные ограничивающие факторы

Помимо тепловых и внутренних шумов, существуют и другие факторы, которые могут существенно ухудшить способность РПрУ к обработке и обнаружению сигналов:

• Шумы генератора: Местные гетеродины и другие генераторы, используемые в приемнике, не являются идеальными источниками сигнала. Они генерируют:
  • Фазовый шум: Случайные флуктуации фазы сигнала, которые могут приводить к расширению спектра сигнала и маскировке слабых эхо-сигналов, особенно при доплеровской обработке.
  • Амплитудный шум: Случайные флуктуации амплитуды сигнала.
• Паразитное излучение: Нежелательное излучение от различных блоков РЛС (например, от гетеродина), которое может попадать на вход приемника и создавать помехи или ложные сигналы.
• Остаточные сигналы: Неполное подавление мощного зондирующего импульса передатчика антенным переключателем может привести к просачиванию части этого сигнала на вход приемника, что на коротких дальностях может маскировать слабые эхо-сигналы от близких целей или вызвать перегрузку приемника.
• Внешние радиоэлектронные помехи: Это могут быть как преднамеренные помехи (активные или пассивные) от противника, так и непреднамеренные излучения от других радиоэлектронных систем. Борьба с ними требует применения сложных алгоритмов обработки сигналов и адаптивных фильтров.
• Атмосферные потери и влияние окружающей среды: В реальности, при расчете максимальной дальности действия РЛС, необходимо учитывать разнообразные потери (L), такие как поглощение и рассеяние радиоволн в атмосфере (дождь, туман, снег), потери на сканирование, потери в фидерных трактах и потери, связанные с особенностями обработки сигнала.

Все эти факторы должны быть тщательно проанализированы и учтены на этапе проектирования РПрУ, чтобы обеспечить требуемую чувствительность и помехоустойчивость в условиях реальной эксплуатации.

Методики проектирования и современные тенденции в РПрУ РЛС

Проектирование радиолокационного приемного устройства — это сложный и многоэтапный процесс, требующий глубоких знаний в области радиотехники, схемотехники и теории сигналов. Современные тенденции в радиолокации диктуют новые подходы и ставят более жесткие требования к характеристикам РПрУ.

Этапы проектирования РПрУ

Процесс проектирования РПрУ для курсовой работы включает следующие ключевые этапы:

1. Анализ технического задания (ТЗ): На этом начальном этапе проводится детальное изучение требований, предъявляемых к РПрУ. ТЗ обычно содержит:
   • Общие характеристики приемного устройства (тип, назначение).
   • Характеристики принимаемых сигналов (диапазон частот, вид модуляции, минимальный уровень).
   • Характеристики помех (тип, спектр, интенсивность).
   • Электрические характеристики приемника (чувствительность, коэффициент шума, динамический диапазон, избирательность).
   • Конструктивные и эксплуатационные требования (габариты, масса, энергопотребление, надежность, условия эксплуатации).
   • Параметры сопрягаемых устройств (антенна, ЦОС).
2. Подбор и анализ литературы: Изучение научно-технической литературы, стандартов, монографий и статей по радиотехнике, радиолокации и схемотехнике приемных устройств. Этот этап позволяет ознакомиться с существующими решениями, методиками расчета и современными тенденциями.
3. Сравнение и выбор структурной схемы: На основе анализа ТЗ и изученной литературы проводится сравнение различных вариантов структурных схем РПрУ (например, супергетеродинных с одним или двумя преобразованиями частоты, прямого усиления, прямого преобразования) и обосновывается выбор наиболее подходящей, чаще всего супергетеродинной.
4. Расчет основных параметров: На этом этапе выполняются ключевые электрические расчеты:
   • Определение оптимальной полосы пропускания приемника и ее распределение по отдельным блокам (ВЦ, УПЧ).
   • Расчет общего коэффициента шума РПрУ (с использованием формулы Фрииса) и выбор компонентов с учетом этого параметра.
   • Расчет чувствительности приемника (предельной и реальной).
   • Расчет требуемого общего коэффициента усиления и распределение его по каскадам.
   • Расчет динамического диапазона и методов его обеспечения.
5. Электрический расчет входной цепи: Особое внимание уделяется входной цепи, для которой необходимо знать параметры антенны, входные параметры первого усилительного прибора (МШУ) и количество настроенных контуров ВЦ.

Современные методы сканирования пространства в РЛС

Исторически радиолокационные станции полагались на механическое вращение антенных систем с узким лучом для обзора пространства. Эти системы хорошо изучены и до сих пор используются, особенно в относительно простых и экономичных РЛС. Однако такой подход имеет фундаментальные ограничения по скорости обзора, возможности одновременного сопровождения множества целей и гибкости управления лучом.

Современные тенденции, особенно в высокопроизводительных и многофункциональных РЛС (например, в военной авиации, на передовых наземных и морских платформах), значительно сместились в сторону электронного сканирования с использованием фазированных антенных решеток (ФАР).

Различают два основных типа ФАР:

• Пассивные фазированные антенные решетки (ПФАР): Состоят из множества излучающих элементов, фаза сигнала на каждом из которых управляется централизованно через фазовращатели. Это позволяет формировать и сканировать луч в пространстве без механического движения антенны.
• Активные фазированные антенные решетки (АФАР): Представляют собой вершину эволюции ФАР. Каждый излучающий элемент АФАР имеет свой собственный приемопередающий модуль (ППМ), состоящий из усилителя мощности, малошумящего усилителя и фазовращателя. Это обеспечивает беспрецедентную гибкость и производительность.

Доминирование АФАР в современных РЛС: АФАР являются ключевой характеристикой истребителей пятого поколения и передовых радиолокационных систем. Их преимущества включают:

• Быстрое многоцелевое сопровождение: Возможность мгновенно перебрасывать луч между целями, отслеживая десятки и сотни объектов одновременно.
• Многолучевая работа: Способность формировать несколько независимых лучей для одновременного выполнения разных задач (обзор, сопровождение, постановка помех).
• Полный круговой обзор: Часто достигается за счет сочетания электронного сканирования в секторе с медленным механическим поворотом всего массива, что обеспечивает непрерывное покрытие всего азимута.
• Повышенная надежность: Отказ одного или нескольких ППМ не приводит к полной неработоспособности, а лишь к незначительной деградации характеристик.
• Помехоустойчивость: Возможность формировать «нули» в диаграмме направленности в сторону источников помех.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в РПрУ и требования к элементной базе

Интенсивное внедрение цифровой обработки сигналов (ЦОС) в технику радиоприема является одной из наиболее значимых тенденций последнего десятилетия. Это обусловлено огромными возможностями ЦОС по улучшению характеристик приемника, таких как помехоустойчивость, избирательность, динамический диапазон, а также гибкость и программируемость алгоритмов обработки.

Однако переход к ЦОС предъявляет жесткие требования к элементной базе РПрУ, в первую очередь к аналого-цифровым преобразователям (АЦП). Именно АЦП являются мостом между аналоговым миром радиосигналов и цифровым миром процессоров, и их параметры критически важны для сохранения информации о принятом сигнале.

Основные требования к АЦП в радиолокационных РПрУ:

1. Высокая частота дискретизации (Sampling Rate): Согласно теореме Найквиста-Шеннона, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты спектра сигнала.
   • Для сигналов промежуточной частоты (ПЧ) с полосой пропускания от 250 кГц до 5 МГц требуются частоты дискретизации от 500 кГц до 10 МГц. Современные АЦП легко обеспечивают такие параметры.
   • При использовании концепции прямой оцифровки радиочастотного сигнала (RF-sampling), когда аналоговый сигнал преобразуется в цифру непосредственно после антенны (или после МШУ) без промежуточного преобразования частоты, требуются значительно более высокие частоты дискретизации — сотни мегагерц и даже гигагерцы. Такие АЦП должны быть способны работать непосредственно на СВЧ.
2. Высокая разрядность (Bit Depth) или глубина квантования: Разрядность АЦП определяет количество дискретных уровней, на которые разбивается диапазон входного напряжения. Это напрямую влияет на динамический диапазон, который АЦП может оцифровать, и на уровень шума квантования.
   • Радиолокационные эхо-сигналы от различных целей могут иметь очень большой динамический диапазон (разница между самым сильным и самым слабым сигналом может достигать 70-80 дБ и более). Для адекватной оцифровки таких сигналов требуется высокая разрядность АЦП, обычно 12-16 бит и выше (некоторые специализированные применения могут требовать до 24 бит), чтобы минимизировать шум квантования и предотвратить потерю информации о слабых сигналах в присутствии сильных.

Таким образом, выбор АЦП с оптимальным сочетанием частоты дискретизации и разрядности является одним из наиболее сложных и ответственных решений при проектировании современного РПрУ с ЦОС. Однако, что из этого следует для практики? Это означает, что инженеры постоянно ищут компромиссы между стоимостью, энергопотреблением и достижимыми характеристиками, поскольку высокопроизводительные АЦП остаются одними из самых дорогих и энергоемких компонентов в радиолокационных системах.

Производственно-экономические характеристики

Помимо чисто технических параметров, при проектировании РПрУ учитывается ряд производственно-экономических характеристик, которые играют важную роль в коммерческом успехе и применимости системы:

• Стоимость: Общая стоимость разработки, производства и эксплуатации РПрУ. Часто находится в противоречии с желанием достичь максимальных электрических характеристик.
• Степень интеграции: Использование микросхем высокой степени интеграции позволяет снизить массогабаритные показатели, энергопотребление и стоимость, а также повысить надежность.
• Степень унификации: Использование стандартных, широкодоступных компонентов и блоков упрощает производство, обслуживание и снижает затраты.
• Соответствие мировым стандартам: Гарантирует совместимость и возможность экспорта.
• Сроки разработки: Определяют конкурентоспособность продукта на рынке.
• Серийноспособность: Возможность массового производства с сохранением заданных характеристик и низкой стоимости.
• Вид технологического процесса: Выбор технологии производства (например, печатные платы, гибридные сборки, монолитные интегральные схемы) влияет на все вышеперечисленные характеристики.

Снижение стоимости РПрУ без существенного ухудшения электрических параметров часто достигается за счет повышения степени интеграции, использования модульных решений и оптимизации производственных процессов.

Заключение

Радиолокационные приемные устройства являются сложнейшими радиотехническими системами, от которых критически зависит эффективность всей РЛС, особенно в контексте систем визуального определения объектов. В ходе настоящей курсовой работы были рассмотрены фундаментальные принципы радиолокации, что позволило четко определить роль РПрУ как ключевого элемента для выделения, усиления и первичной обработки слабых эхо-сигналов.

Мы подробно проанализировали типовые структурные схемы РПрУ, обосновав повсеместное применение супергетеродинного принципа за счет его преимуществ в усилении и селекции на промежуточной частоте. Детальное изучение функционального назначения каждого блока — от входной цепи и МШУ до смесителя и УПЧ — дало понимание о тонкостях их взаимодействия.

Особое внимание было уделено методикам расчета ключевых параметров РПрУ. Были рассмотрены формулы для определения диапазона рабочих частот, чувствительности (включая критический коэффициент различимости с его типовыми значениями 2-3 или 3-4,7 дБ), коэффициента шума (с применением формулы Фрииса для многокаскадных систем), отношения сигнал/шум и динамического диапазона. Также было подчеркнуто значение основного уравнения радиолокации, связывающего максимальную дальность действия РЛС с чувствительностью приемника и суммарными потерями.

Анализ факторов, влияющих на чувствительность и помехоустойчивость, выявил, что помимо собственных тепловых шумов, критически важны шумы генераторов, паразитное излучение и внешние помехи, которые требуют комплексных инженерных решений для минимизации их воздействия.

В заключительной части работы были рассмотрены современные тенденции в проектировании РПрУ. Мы отметили переход от механического к электронному сканированию с помощью фазированных антенных решеток, особенно АФАР, которые стали стандартом для высокопроизводительных систем, обеспечивая многоцелевое сопровождение и многолучевую работу. Ключевым аспектом современного развития является интенсивное внедрение цифровой обработки сигналов, что, в свою очередь, выдвигает жесткие требования к элементной базе, в частности, к аналого-цифровым преобразователям. Высокая частота дискретизации (от 500 кГц до 10 МГц для ПЧ-сигналов и до гигагерц для прямой оцифровки РЧ) и высокая разрядность АЦП (12-16 бит и выше) необходимы для обеспечения широкого динамического диапазона и минимизации шумов квантования. Производственно-экономические характеристики также были учтены как важные критерии для успешной реализации проектов.

Таким образом, все поставленные цели курсовой работы были успешно достигнуты. Полученные знания и методики расчетов формируют прочную основу для дальнейшего углубленного изучения и практического проектирования радиолокационных приемных устройств. Перспективы развития темы лежат в области дальнейшей миниатюризации, интеграции систем «радиочастота-в-цифру», применения искусственного интеллекта для адаптивной обработки сигналов и разработки новых материалов для высокочастотной электроники, что позволит создавать РЛС с еще большей чувствительностью, помехоустойчивостью и функциональностью.

Список использованной литературы

1. Методические указания по проектированию радиоприёмных устройств / В.П. Бакалов, Н.Н. Белоусов, В.Г. Выборный; под редакцией А.С. Протопопова. Москва, 1999.
2. Проектирование РПУ / под редакцией Сиверса. 1976.
3. Радиотехника и электроника. URL: https://www.radiotechras.ru/ (дата обращения: 11.10.2025).
4. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. URL: https://eltech.ru/ru/izvestiya-vuzov-rossii-radioelektronika (дата обращения: 11.10.2025).
5. Радиоприемные устройства (РПрУ) РЛС. URL: https://vuniver.ru/work/5-11-radiopriemnye-ustrojstva-rpru-rls (дата обращения: 11.10.2025).
6. Структурная схема радиолокатора. URL: https://studbooks.net/83021/lokatsiya/struktura_shema_radiolokatora (дата обращения: 11.10.2025).
7. Обобщенная структурная схема рлс. URL: https://vuniver.ru/work/obobschennaya-strukturnaya-shema-rls (дата обращения: 11.10.2025).
8. 6.1. Структурная схема. Основные параметры. 6. Радиоприемные устройства аналоговых РРЛ. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. URL: https://siblec.ru/radioreleinye-sistemy/6-radiopriemnye-ustroystva-analogovyh-rrl (дата обращения: 11.10.2025).
9. Основные характеристики радиоприёмных устройств. URL: https://elib.oreluniver.ru/upload/iblock/c38/c38096181f215f9b489a7791469e3a6c.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
10. Обобщённое основное уравнение радиолокации. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obobschyonnoe-osnovnoe-uravnenie-radiolokatsii/viewer (дата обращения: 11.10.2025).
11. Основы радиолокации – Основные принципы радиолокации. URL: https://www.radartutorial.eu/01.basics/ru/rb02.ru.html (дата обращения: 11.10.2025).
12. Выбор структурной схемы. URL: https://studwood.com/1529606/radiotehnika/vybor_strukturnoy_shemy (дата обращения: 11.10.2025).
13. Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков. URL: https://kvartz.org/wp-content/uploads/2016/06/uchebno-metodicheskoe-posobie-proektirovanie-radiopriemnyh-ustroystv-na-baze-analogovyh-blokov-nikitin-n-p.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
14. Уравнение дальности радиолокации. URL: https://www.radartutorial.eu/01.basics/ru/rb06.ru.html (дата обращения: 11.10.2025).
15. Отношение «сигнал/шум — Основы радиолокации. URL: https://www.radartutorial.eu/01.basics/ru/rb03.ru.html (дата обращения: 11.10.2025).
16. 2.2. Принципы построения радиоприёмных устройств. URL: https://elib.oreluniver.ru/upload/iblock/c38/c38096181f215f9b489a7791469e3a6c.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
17. Выбор технических решений для формирования облика аэродромной радиолокационной станции посадки на основе анализа требований к системе. URL: https://moluch.ru/archive/288/65345/ (дата обращения: 11.10.2025).
18. 1.3. Показатели радиоприемных устройств. URL: https://elib.oreluniver.ru/upload/iblock/c38/c38096181f215f9b489a7791469e3a6c.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
19. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИИ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/klassifikatsiya-printsip-deystviya-i-osnovnye-metody-radiolokatsii/viewer (дата обращения: 11.10.2025).
20. Основы радиолокации – Обобщенная структурная схема импульсного радиолокатора. URL: https://www.radartutorial.eu/01.basics/ru/rb05.ru.html (дата обращения: 11.10.2025).
21. основы теории радиолокационных систем и комплексов практикум и сборник задач. URL: https://edu.vstu.ru/wp-content/uploads/2021/01/%D0%9E%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B-%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC-%D0%B8-%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BE%D0%B2.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
22. Проектирование устройств приема и обработки сигналов. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/57662/1/978-5-7996-2244-9_2017.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
23. Виды радиолокации. URL: https://vuzlit.ru/87606/vidy_radiolokacii (дата обращения: 11.10.2025).
24. Радиоприемные устройства. URL: https://elib.oreluniver.ru/content/upload/files/R/rpru-uchebnoe-posobie-1.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
25. Курочкин, А.Е. Конспект лекций. URL: https://lib.bsuir.by/wp-content/uploads/2019/07/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82-%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B9.pdf (дата обращения: 11.10.2025).