پایان نامه ها و مقالات

رادار، تکپالس

حسین مشهدی

-۱استاد راهنما : دکتر هوشنگ امین الهی

-۲مدیر گروه : دکتر هوشنگ امین الهی

تاریخ دفاعیه : ۱۳۸۵/۹/۲۹

ج

تقدیم به:

پدر بزرگوارم که صبر و استقامت را به من آموخت

و

مادر مهربانم که عشق و صداقت را به من آموخت

و تقدیم به تمامی عزیزانی که مرا یاری کردند.

د

سپاسگزاری

سپاس خدای مهربان را که اندیشهام داد.

پروردگار بزرگ را سپاس میگویم که موفقّم گردانید تا در عرصهی علم و دانش، پلههای سعادت را طی کنم و بیشک در این راه، بزرگوارانی خالصانه و دلسوزانه یاریم نمودند که قدردانی از آنان را بر خود واجب میدانم.
وجود پرمهر پدری دلسوز و فداکار که تمام هستی و جان خویش را فدای تربیت فرزندانی صالح و موفق نموده است و در این راه از هیچ کاری فروگذار نکرده است.

مادر مهربانم که تمام زحمات زندگی بر دوش او بوده وصبورانه مرا تحمل کرده و مشوق من در این راه بوده و هست. مادرم سپاسگزارم.

از خواهر و برادران عزیزم فرهاد، سهراب، فرامرز و رسول که در دوران تحصیل همهی مشکلات را بر من سهل کردند، کمال سپاسگزاری و تشکر را نمایم.

بهترین تشکراتم را تقدیم استاد گرانقدر و دلسوزم، جناب آقای دکتر هوشنگ امین الهی مینمایم که در طول این دورهی تحصیلی با صبر و حوصله یاریم نموده و همواره پشتیبان و راه گشایم بودند.

در نهایت از کلیهی دوستان عزیزم که در این راه صمیمانه یاریم کردند، تشکر نموده و از خداوند بزرگ برایشان آرزوی سلامتی و توفیق روزافزون را دارم.

ه

فهرست مطالب

عنوان مطالب شماره صفحه

چکیده … ۱

مقدمه ۲

فصل اول: سیستمهای رادار ۳

-۱-۱ معرفی .. ۴

-۲-۱ کاربردهای رادار ۴

-۳-۱ طرز کار رادار. ۵

-۴-۱ معادلهی رادار ۸

-۵-۱ فرکانسهای رادار .. ۹

فصل دوم: رادار ردگیر و انواع روشهای ردگیری ۱۰

-۱-۲ معرفی ۱۱

-۲-۲ لوبینگ متوالی ۱۳

-۳-۲ اسکن کانونی ۱۴

-۴-۲ روش ردگیری تکپالس (لوبینگ همزمان) ۱۷

فصل سوم: روش ردگیری تکپالس. ۱۸

-۱-۳ معرفی . . .. ۱۹

-۲-۳ اجزای یک رادار تکپالس …. ۱۹

-۳-۳ مزایا و معایب تکپالس . ۲۷

-۱-۳-۳ مزایا . . ۲۷

-۲-۳-۳ معایب . . ۲۸

-۴-۳ پردازندههای تکپالس.. . ۲۸

-۱-۴-۳ پردازندهی دقیق تکپالس . . ۲۹

-۲-۴-۳ پردازنده به کارگیرنده اندازه خطی و فاز سیگنالها .. ۳۰

و

-۳-۴-۳ پردازش با استفاده از مولفههای I و ۳۰ .. Q

-۴-۴-۳ پردازش با استفاده از فاز و اندازه لگاریتمی سیگنالهای s و ۳۱ . d

-۵-۴-۳ پردازش با استفاده از ضرب نقطهای به همراه ۳۲ AGC

-۶-۴-۳ پردازنده به کار گیرنده ۳۳ .. s jd

-۵-۳ مقایسه پردازندههای تکپالس ۳۶

-۶-۳ ردگیری برد ۳۷

فصل چهارم: طراحی گیرنده دیجیتال ۴۱

-۱-۴ معرفی .. ۴۲

-۲-۴ محل نمونهبرداری ۴۶

-۳-۴ طرح کلی گیرنده دیجیتال ۴۸

-۴-۴ مشخصات مبدل آنالوگ به دیجیتال ۴۹

-۱-۴-۴ نحوه تبدیل آنالوگ به دیجیتال ۴۹

-۲-۴-۴ اثرات دیجیتال کردن سیگنال ۵۱

-۳-۴-۴ تعداد بیت خروجی ۵۴ A/D

-۴-۴-۴ فرکانس نمونهبرداری ۵۵

-۵-۴ نمونهبرداری ۵۷

-۱-۵-۴ طیف سیگنال گسسته ۵۷

-۲-۵-۴ نمونهبرداری از سیگنال ۵۸ .. IF

-۶-۴ آمادهسازی سیگنال برای نمونهبرداری و بلوکهای قبل از ۶۰ A/D

-۱-۶-۴ تقویت کننده . . ۶۰

۶۲ .. AGC -2-6-4

-۳-۶-۴ فیلتر ضد آلیاس ۶۵

-۷-۴ آشکارساز .. ۶۹

-۸-۴ فیلترهای پایینگذر دیجیتال .. . ۷۵

ز

-۹-۴ خلاصه پردازشهای بخش زاویه و برد .. ۸۰

فهرست مراجع ۸۲

چکیده انگلیسی ۸۴

ح

فهرست شکلها

عنوان مطالب شماره صفحه

شکل -۱-۱ اندازهگیری برد در رادار ۵

شکل -۲-۱ پالسهای رفت و برگشت در رادار ۶

شکل -۳-۱ دیاگرام بلوکی رادار ۶

شکل -۴-۱ نمایشگر ۸ PPI

شکل -۱-۲ مسیرهای معمول جستجو در مرحله اکتساب هدف ۱۲

شکل -۲-۲ سیستم کنترلی ساده شده رادار ردگیر ۱۲

شکل -۳-۲ تکنیک ردگیری لوبینگ متوالی ۱۳

شکل -۴-۲ ردگیری اسکن کانونی ۱۴

شکل -۵-۲ اکوی دریافتی از هدف در رادار اسکن کانونی ۱۵

شکل -۶-۲ دیاگرام بلوکی یک رادار اسکن کانونی ۱۶

شکل -۱-۳ دیاگرام کلی عملکرد رادار تکپالس ۲۰

شکل -۲-۳ نمای فیدهای رادار تکپالس مقایسه دامنه ۲۱

شکل -۳-۳ فید یک رادار تکپالس ۲۱

شکل -۴-۳ حالتهای مختلف دریافت انرژی با توجه به موقعیت هدف . ۲۲

شکل -۵-۳ نحوه تشکیل سیگنالهای ∑، el و ۲۳ az

شکل -۶-۳ بیم آنتن رادار تکپالس ۲۳

شکل -۷-۳ نماد آنتن رادار تکپالس ۲۴

شکل -۸-۳ نمودار ولتاژ خطا بر حسب زاویه انحراف ۲۴

شکل -۹-۳ نمودار عملکرد رادار تکپالس ۲۶

شکل -۱۰-۳ پردازنده سرراست ۳۰

شکل -۱۱-۳ پردازنده I و ۳۱ Q

شکل -۱۲-۳ تقویتکننده لگاریتمی ۳۱ IF

شکل -۱۳-۳ پردازش با استفاده از اندازه و فاز لگاریتمی ۳۲

ط

شکل -۱۴-۳ پردازنده بکارگیرنده ضربکننده نقطهای و ۳۳ AGC

شکل -۱۵-۳ پردازنده بکارگیرنده ۳۴ s jd

شکل -۱۶-۳ اختلاف فاز s و ۳۴ d

شکل -۱۷-۳ مقایسه خروجی پردازنده دقیق و پردازنده ۳۵ s jd

شکل -۱۸-۳ سیستم ردگیری برد ۳۸

شکل -۱۹-۳ آشکارسازی خطای ردگیری برد و گیتهای زود و دیر ۳۹

شکل -۲۰-۳ ردگیری برد با استفاده از شمارنده ۴۰

شکل -۱-۴ گیرنده همدوس معمول رادار ۴۶

شکل -۲-۴ طیف سیگنال میانگذر ۴۷

شکل -۳-۴ طرح کلی گیرنده ۴۹

شکل -۴-۴ بخشهای مختلف یک ۵۰ A/D

شکل -۵-۴ نمودار ورودی و خروجی یک ۵۰ A/D

شکل -۶-۴ خطای جبرانسازی ۵۲

شکل -۷-۴ خطای بهره ۵۲

شکل -۸-۴ خطای غیرخطی بودن ۵۳

شکل -۹-۴ تابع توزیع احتمال نویز چندیکردن ۵۳

شکل -۱۰-۴ چگالی طیفی توان نویز چندیکردن ۵۵

شکل -۱۱-۴ توان نویز چندیکردن در دو فرکانس نمونهبرداری ۵۶

شکل -۱۲-۴ نمونهبرداری ۵۷

شکل -۱۳-۴ طیف سیگنال نمونهبرداری شده ۵۸

شکل -۱۴-۴ طیف سیگنال آنالوگ ۵۸ IF

شکل -۱۵-۴ نمونهبرداری از سیگنال ۵۹ IF

شکل -۱۶-۴ یک زنجیره تقویتکننده ۶۱

شکل -۱۷-۴ نقطه برخورد درجه ۶۱ ۳

شکل -۱۸-۴ پاسخ پله فیلترهای چبیشف، باترورث و بسل ۶۷

شکل -۱۹-۴ طیف سیگنال میانگذر نمونهبرداری شده ۶۹

ی

شکل -۲۰-۴ آشکارساز همدوس دیجیتال ۶۹

شکل -۲۱-۴ آشکارساز همدوس رادار ۷۰

شکل -۲۲-۴ آشکارساز همدوس دیجیتال ۷۱

شکل -۲۳-۴ تبدیل دوخطی ۷۳

شکل -۲۴-۴ طیف خروجی ضربکنندهها ۷۵

شکل -۲۵-۴ ساختار فیلتر پیشنهادی ۷۶

شکل -۲۶-۴ ساختار یک فیلتر ۷۷ CIC

شکل -۲۷-۴ انتگرالگیر و فیلتر شانهای در فیلتر ۷۷ CIC

شکل -۲۸-۴ سری کردن فیلترهای ۷۸ CIC

شکل -۲۹-۴ پاسخ فرکانسی فیلتر CIC به ازای N=3، R=4 و ۷۹ M=4

شکل -۳۰-۴ جداسازی مولفههای I و Q به طور مستقیم ۷۹

شکل -۳۱-۴ طرح کلی گیرنده در هر کدام از جهات سمت و ارتفاع ۸۰

ک

فهرست جدولها

عنوان مطالب شماره صفحه

جدول -۱-۳ مقایسه پردازندههای تکپالس .. ۳۷

جدول -۱-۴ مقایسه مشخصههای فیلترهای سهگانه . ۶۶

ل

چکیده:

رادارهای ردگیر در سناریوی دفاعی پدافند هوایی نقشی کلیدی بر عهده دارند. روشهای مختلفی برای ردگیری اهداف مهاجم وجود دارد که از میان آنها روش تکپالس۱ به علت دقت بالا، استخراج اطلاعات مکانی هدف به وسیلهی یک پالس واحد و برخی ویژگیهای منحصر به فرد دیگر، بهطور خاص مورد توجه و استفاده قرار گرفته است.

از طرف دیگر، گیرندههای دیجیتال که با نمونهبرداری از میان سیگنال دریافتی آنتن و پردازش نمونهها، آشکارسازی را انجام میدهند، به خاطر مزایای خاص مدارهای دیجیتال بر آنالوگ، مانند دقت و پایداری بالا، عدم تغییر پارامترها در اثر شرایط محیطی، انعطافپذیری و حجم و وزن کمتر و …، به سرعت در حال جایگزینی گیرندههای آنالوگ میباشد. در این پروژه، طراحی یک گیرندهی دیجیتال برای یک رادار ردگیر تکپالس که از سیگنال IF نمونهبرداری میکند، مورد بررسی قرار میگیرد و پارامترهای لازم برای ردگیری را استخراج میشود.

۱ – monopulse
۱

مقدمه:

اهمیت رادار ردگیر در سیستمهای دفاعی و نیز در کاربردهای فراوان غیرنظامی امروزه بر کسی پوشیده نیست. رادارهای ردگیر با استخراج پیوسته دقیق مکان هدف، امکان تعیین خط سیر هدف، سرعت آن و پیشبینی مکان بعدی آن را نیز فراهم میکنند.
از میان روشهای ردگیری راداری، روش تکپالس به دلیل قابلیت ویژه که در متن این رساله تفصیل بحث شدهاند و از همه مهمتر دقت بالای ردگیری، جایگزین روشهای دیگر گردیده است و تقریباً همهی سیستمهای ردگیری راداری جدید مجهز به این تکنیک میباشند.

این رادارها در زمان گذشته بهطور کامل با قطعات آنالوگ ساخته می شدهاند. با پیشرفت فنآوری مدارهای دیجیتال خصوصاً ورود مبدل های آنالوگ به دیجیتال سریع و دقیق و نیز پردازشگرهای سیگنال دیجیتال بلادرنگ۱ و پیشرفت تئوری پردازش دیجیتال، رویکرد به سیستمهای دیجیتال به ویژه پردازشگرهای دیجیتال روزافزون شده است. دلیل عمدهی این امر، دقت، پایداری، انعطافپذیری و ساختار فشردهی مدارهای دیجیتال در مقایسه با مدارهای آنالوگ میباشد.

در این رساله، یک رادار ردگیر تکپالس با پارامترهای واقعی توصیف شده و سپس یک گیرندهی دیجیتال با نمونهبرداری از سیگنال دریافتی در مرحلهی فرکانس میانی و پردازش نمونهها، طراحی گردیده است.

این رساله شامل چهار فصل میباشد. در فصل اول، سیستمهای راداری بهطور کلی معرفی شدهاند و طرز کار یک رادار عمومی توضیح داده شده است.

در فصل دوم، انواع روشهای ردگیری به ترتیب تکامل توضیح داده شده و طرز
کار هر سیستم و مزایا و معایب آن مشخص گردیده است.

در فصل سوم، روش ردگیری تکپالس به عنوان روش برتر توصیف شده و گیرندهی آن و انواع مختلف پردازشگرهای آن بررسی گردیده و در نهایت یک روش برای پردازش سیگنالهای دیجیتال انتخاب شده است.

در فصل چهارم روش طراحی یک گیرندهی دیجیتال و بلوکهای قبل از مبدل آنالوگ به دیجیتال، مانند تقویت کننده، فیلتر و AGC، توضیح داده شده و با توجه به ویژگیهای سیگنال IF، تعداد بیت، فرکانس نمونهبرداری و سایر پارامترهای مبدل انتخاب گردیده است. در ضمن روش پردازش سیگنال به منظور استخراج پارامترهای لازم برای ردگیری بحث شده است.

انجام این پروژه گرچه با تلاش فراوان و در مدت زمان نسبتاً زیاد و با مطالعات گستردهای انجام گرفته، اما قطعاً دارای نقایص و محدودیتهایی است و میتوان آن را به عنوان قدم اول از یک راه طولانی تلقی نمود. به امید گام های آینده و آیندهای درخشان برای کشور اسلامیمان.

۱- real time
۲

فصل اول

سیستمهای رادار

۳

فصل اول: سیستمهای رادار۱

(۱-۱ معرفی

رادار سیستمی برای کشف و تعیین موقعیت اهداف میباشد. رادار با فرستادن امواج الکترومغناطیس با شکل موجی خاص مثلاً یک موج سینوسی مدوله پالسی۲ به سمت اهداف و دریافت بازگشتی آنها، به کشف موقعیت و تعیین برخی پارامترهای دیگر اهداف میپردازد.

خصوصیاتی مثل قابلیت کشف اهداف در تاریکی و شرایط جوی مختلف و نیز در فاصله های زیاد و از همه مهمتر تعیین فاصله (برد(۳ و موقعیت زاویهای و سرعت اهداف و ردگیری اهداف متحرک باعث کاربردهای وسیع و روزافزون رادار گردیده است.

(۲-۱ کاربردهای رادار

رادار در همهی مکانها (زمین، هوا، دریا و فضا) مورد استفاده قرار میگیرد. رادارهای زمینی۴ بهطور عمده برای کشف، تعیین موقعیت و ردگیری هواپیماها یا اهداف فضایی استفاده میشوند. رادارهای دریایی۵ به عنوان وسایل کمک ناوبری۶ و نیز به عنوان وسایل ایمنی برای پیدا کردن خط ساحلی، عوارض دریایی و دیگر کشتی ها و همچنین برای کشف هواپیماها بکار برده میشوند.
رادارهای هوایی برای کشف سایر هواپیماها، کشتیها و وسایل نقلیهی زمینی و یا برای نقشهبرداری زمینی، پیشبینی توفان و ناوبری استفاده میشوند. از رادارها برای هدایت فضاپیماها و نیز برای تشخیص خشکی و دریا از فواصل بسیار دور نیز استفاده میشود.

کاربرد عمدهی رادار که باعث پیشرفت و گسترش کاربرد آن شده است را باید کاربردهای نظامی دانست. اما در کنار کاربردهای نظامی استفاده های فراوان غیرنظامی که مهمترین آن کنترل ترافیک دریایی و هوایی میباشد را نباید از یاد برد. کاربردهای عمدهی رادار، صرف نظر از اهمیت و گسترهی کاربرد را میتوان به صورت زیر فهرست کرد:

– کنترل ترافیک هوایی

– ناوبری هوایی

– کنترل ترافیک دریایی و ایمنی کشتیها

– کاربردهای فضایی (رادارهای زمینی برای کشف و کنترل ماهواره و رادارهای نصب شده روی ماهواره و فضا پیما برای هدایت آنها)

۱ – Radar 2 – Pulse-Modulated 3 – Range 4 – Ground-Based Radars

۵ – Ship -Based Radars 6 – Navigation
۴

– تعیین سرعت اهداف (کاربردهایی مثل کنترل سرعت خودروها در بزرگراهها یا تعیین سرعت توپ در ورزشها یا سرعت

92

دیدگاهتان را بنویسید