Diagramas esquemáticos eléctricos de transceptores para radares de aeronaves. Sistemas de recepción de radar. Cómo funciona el radar
Los altos requisitos para la estabilidad de la frecuencia portadora de las señales de sondeo, la necesidad de generar señales complejas y coherentes han llevado a la aparición de dispositivos de transmisión hechos de acuerdo con el esquema de múltiples etapas. Los excitadores de baja potencia se utilizan como primera etapa y un amplificador de potencia de varias etapas como las siguientes.
En un transmisor de este tipo, la estabilidad de frecuencia de la señal de sondeo está determinada principalmente por osciladores maestros de baja potencia, cuya frecuencia se estabiliza mediante métodos conocidos, por ejemplo, utilizando cuarzo.
El excitador se puede construir de acuerdo con un esquema que permite cambiar rápidamente (en unos pocos microsegundos) de una frecuencia de operación a otra. También puede generar una señal modulada en frecuencia lineal o modulada en fase mediante uno de los métodos. Estos temas se discutirán en detalle en subsecciones posteriores.
Al generar la señal del excitador, es posible prever su conexión rígida con la frecuencia de la señal heterodina del mezclador, lo que elimina la necesidad de utilizar un AFC. Finalmente, en un transmisor de este tipo, es posible obtener una ráfaga de pulsos coherentes, lo que permite aplicar compensación de filtro de correlación de interferencia pasiva, así como combinar señales de diferentes canales en una entrada común o separarlas en entradas separadas. para alimentar varios elementos de una red de antenas en fase.
En el caso general, el diagrama de bloques de un dispositivo de transmisión de múltiples etapas de un radar pulsado se muestra en la Fig. 3.9.
Figura 3.9. Diagrama de bloques de un dispositivo de transmisión de múltiples etapas de un radar de pulsos
La potencia de oscilación del excitador debe ser suficiente para excitar la siguiente cascada. Dado que la conformación de la señal se lleva a cabo con una potencia reducida, el nivel de potencia de salida requerido de la señal de sondeo se logra mediante amplificación en cascada.
En los radares de pulsos, la modulación de pulsos se lleva a cabo en función del nivel de potencia de salida, ya sea en una etapa o en las últimas etapas de amplificación potente.
En algunos casos, es más conveniente generar una señal a una frecuencia reducida. En este caso, los multiplicadores de frecuencia o los mezcladores se incluyen en las etapas preliminares (ver Figura 3.10)
Figura 3.10. Un ejemplo de circuito de acondicionamiento de señales.
Los dispositivos con control electrodinámico del flujo de electrones se utilizan ampliamente como etapas amplificadoras de un transmisor multietapa: klistrones, tubos de ondas viajeras (TWT), tubos de ondas hacia atrás (BWT), etc.
Por lo tanto, los dispositivos de transmisión de múltiples etapas se utilizan con altos requisitos de estabilidad de frecuencia y se construyen de acuerdo con el esquema "Oscilador maestro - amplificador de potencia". Ejemplos de radares que utilizan tales dispositivos de transmisión son los radares 55Zh6, 22Zh6M, etc.
3.3.3 Moduladores de impulsos de estaciones de radar
Los moduladores de radar generan potentes pulsos de vídeo de alto voltaje de una duración y un período de repetición determinados para alimentar los circuitos del ánodo del generador y los dispositivos amplificadores. La duración de los pulsos de modulación de varios radares es de unidades a decenas de microsegundos y el período de repetición es de varios milisegundos. Esto le permite acumular energía durante la pausa entre transmisiones y dársela a la carga durante la duración del pulso.
En los dispositivos de transmisión con un amplificador de potencia, el número de moduladores y sus características dependen del circuito de línea del amplificador y del tipo de dispositivos utilizados. La interacción del modulador con los elementos del dispositivo de transmisión (por ejemplo, un dispositivo de transmisión con un oscilador en la etapa de salida) se muestra en la figura 3.11.
Figura 3.11. Interacción del modulador con los elementos del dispositivo transmisor.
El rectificador de alto voltaje convierte la potencia de CA de la fuente de alimentación en potencia de CC alta, que se alimenta al modulador. El modulador controla el funcionamiento del generador de alta frecuencia. Si se usa modulación de ánodo en el dispositivo de transmisión, entonces enciende la fuente de alimentación del ánodo del generador de microondas por un tiempo igual a la duración del pulso de la sonda. La característica fundamental del modulador de radar (a diferencia de los moduladores de otros dispositivos radio-técnicos) es la transformación de potencia que realiza. El modulador del transmisor de radar almacena energía del rectificador de alto voltaje durante un período de tiempo aproximadamente igual al período de repetición T n. Al mismo tiempo
NS m = R v · T n, (3,7)
dónde NS m es la energía acumulada por el modulador; R c - potencia del rectificador de alto voltaje.
La energía acumulada es entregada por el modulador a la carga durante la duración del pulso. Por eso,
NS m = R metro t y, (3.8)
dónde R m es la potencia de los pulsos de salida del modulador.
De las fórmulas (3.7) y (3.8) obtenemos
R en = R metro t y / T pág. (3.9)
En la medida en t y<< T n entonces R v<< R m) Esto permite elegir un rectificador de alto voltaje de menor potencia y, por lo tanto, de dimensiones y peso más pequeños, al diseñar un radar.
La composición del modulador está determinada por su tipo. Sin embargo, todos estos dispositivos se caracterizan por la presencia de elementos tales como un estrangulador de carga, almacenamiento de energía, elemento de conmutación, transformador de pulso, circuitos de protección y corrección. Considere los circuitos de los principales tipos de moduladores de pulso utilizados en el radar RTV.
En los dispositivos de transmisión del radar RTV, se utilizan más ampliamente dos tipos de moduladores de pulso: con una descarga completa del almacenamiento de energía; con descarga parcial del almacenamiento de energía.
El dispositivo de almacenamiento de energía puede ser un campo eléctrico de un condensador o un campo magnético de un inductor. Una línea larga artificial, que es equivalente a capacitancia o inductancia, también se puede utilizar como almacenamiento de energía.
Actualmente, en la mayoría de los casos, se utilizan variadores capacitivos, ya que El almacenamiento inductivo se caracteriza por una eficiencia muy baja.
La figura 3.12 muestra un diagrama de bloques de un transmisor de radar que funciona en modo de modulación de impulsos de ánodo. Como se muestra en el diagrama, un modulador de pulsos consta de dos elementos principales: un dispositivo de almacenamiento de energía y un dispositivo de conmutación. Cuando el dispositivo de conmutación está abierto durante la pausa entre pulsos, la energía se acumula en el dispositivo de almacenamiento. Cuando el interruptor está cerrado, la energía acumulada durante la duración del pulso se consume para alimentar el generador de microondas.
Figura 3.12. Diagrama de bloques de un transmisor de radar.
Como dispositivo de conmutación, se utilizan una lámpara electrónica (triodo) o un interruptor activo de transistor, o dispositivos de descarga de gas (iónicos): tiratrones o tiristores y descargadores de chispas controlados.
La principal ventaja de los dispositivos de conmutación basados en tubos electrónicos y transistores es la baja inercia, lo que permite que se enciendan y apaguen en cualquier momento mediante un pulso de control de baja potencia aplicado al electrodo de control (rejilla de la lámpara o base del transistor) del interruptor. . Sin embargo, los tubos de vacío tienen una alta resistencia interna y, por lo tanto, los interruptores de tubo de vacío tienen una eficiencia relativamente baja.
Los dispositivos de conmutación iónicos y de tiristores tienen una baja resistencia interna y pasan fácilmente corrientes de decenas y cientos de amperios. La desventaja de los dispositivos de conmutación iónica es que solo el momento en que el dispositivo de almacenamiento comienza a descargarse puede determinarse con precisión con la ayuda de un pulso de control. Es mucho más difícil controlar la apertura del interruptor de iones. Por lo tanto, el final de la descarga de almacenamiento está determinado por el tiempo de descarga de almacenamiento, es decir depende de los parámetros del propio variador.
Moduladores de almacenamiento capacitivo. Estos moduladores se utilizan ampliamente en los radares modernos. El circuito modulador se muestra en la Figura 3.13.
Designaciones en el diagrama: CON n - condensador que almacena energía; PARA- un interruptor, que se muestra como un interruptor; R h - limitación o resistencia de carga; R d - resistencia del generador de microondas alimentado por el modulador.
En las pausas entre pulsos, el interruptor PARA abierto, y el condensador CON n se carga desde una fuente de energía a través de una resistencia R h, almacenando energía. El voltaje del capacitor se eleva al voltaje de la fuente mi O. Al final de la carga, el interruptor PARA se cierra conectando el condensador CON n al generador, y el condensador se descarga al generador. Después de la descarga del condensador, el interruptor se abre nuevamente, se produce una nueva carga de la capacidad de almacenamiento, etc.
Figura 3.13. Circuito simplificado del modulador.
Resistencia R s determina la duración de la carga y limita la corriente de la fuente de alimentación durante el cierre del interruptor. La magnitud de esta resistencia se toma muchas veces mayor R d, para que el condensador se cargue relativamente lentamente, y la corriente que fluye a través R s durante la descarga del condensador, fue insignificante.
En el modulador considerado, son posibles los modos de descarga total y parcial de la capacidad de almacenamiento. En el primer caso, el interruptor, cuando está cerrado, no se abre hasta que la capacidad de almacenamiento se descarga por completo, momento en el que el voltaje a través de él se vuelve cero. Los oscilogramas de voltajes en los nodos individuales del modulador que operan en el modo de descarga completa se muestran en la Figura 3.14 (línea en negrita).
La desventaja del modulador que opera en el modo de descarga completa de la capacidad de almacenamiento es la insatisfactoria, lejos de la forma de pulso rectangular y la baja eficiencia (alrededor del 50%). Por lo tanto, rara vez se utilizan.
Cuando el modulador está operando en modo de descarga parcial, el interruptor se cierra por un tiempo corto (igual a t) y se abre cuando el condensador aún retiene su carga y el voltaje U c tiene un valor significativo. La naturaleza del cambio de voltaje a través del capacitor de almacenamiento se muestra en la Figura 3.14 (línea delgada).
a) 
B) 
Figura 3.14. Oscilogramas de voltajes en nodos individuales del modulador.
Moduladores de línea artificial(moduladores lineales). Se sabe que una línea de extremo abierto, cargada a voltaje mi l, cuando se descarga a la resistencia R= crea un pulso de voltaje rectangular con una amplitud mi l / 2 y duración
dónde l- Longitud de la línea; L " , C"- inductancia distribuida y capacitancia de línea.
Utilizando la línea como dispositivo de almacenamiento de energía, es posible construir moduladores con modo de descarga completa, produciendo pulsos con una buena forma rectangular. Sin embargo, la longitud de la línea resulta inaceptable para su colocación en transmisores. En lugar de líneas reales en moduladores, se pueden usar líneas artificiales compuestas por inductores y condensadores separados (Figura 3.15).
Los moduladores de pulso con líneas artificiales se utilizan ampliamente en los dispositivos de transmisión de radar modernos (por ejemplo, el radar 55Zh6). Se distinguen por su compacidad, alta eficiencia y permiten recibir pulsos de altísima potencia con una forma que no difiere mucho de la rectangular.
Considere los procesos en un modulador con una línea de cadena artificial (Figura 3.15), que consta de tres secciones.
La impedancia de línea es igual a la impedancia de carga = R d. Con el interruptor abierto, la fuente de alimentación carga la línea a un voltaje U l = mi O. Después de la carga, el interruptor se cierra y conecta la línea al generador (a la carga). Dado que la resistencia R r = , entonces cuando el interruptor se cierra en los terminales del generador, surge un voltaje instantáneo, igual a mi o / 2. Debido a esto, las oscilaciones en el generador surgen abruptamente y el borde de ataque del pulso resulta ser pronunciado. La otra mitad del voltaje mi o / 2 cae en la impedancia de la línea y provoca una onda de voltaje viaje que se propaga al extremo abierto de la línea, descargándola parcialmente a medida que se propaga. Desde el extremo abierto de la línea, la onda se refleja sin inversión de polaridad y, volviendo al principio de la línea, es completamente absorbida por la carga.
Figura 3.15. Circuito simplificado de un modulador con línea artificial.
En el circuito de la Figura 3.15, el voltaje de la fuente debe ser 2 veces el voltaje de suministro del generador. Para eliminar este inconveniente, se utiliza el circuito de la figura 3.16, a, en el que la línea se carga a través del inductor. L s con bajas pérdidas de resistencia. La bobina forma un contorno con la capacitancia de la línea y la carga de la línea adquiere el carácter de oscilaciones amortiguadas (Figura 3.16, b). Después de la mitad del período, el voltaje de línea aumenta a U l = 2 mi O. En este momento, el interruptor se cierra y el voltaje en el generador se vuelve igual a U l / 2 = mi oh, es decir voltaje de la fuente.
a) 
B) 
Figura 3.16. Circuito modulador de línea artificial
La eficiencia del modulador al cargar la línea a través de la inductancia aumenta al 90-95%. Pero para darse cuenta de estas ventajas, la bobina de carga debe tener un factor de inductancia significativo. Además, el interruptor debe cerrarse exactamente en los momentos de máxima tensión de línea. Todo esto complica significativamente el diseño del modulador y el circuito de control del interruptor.
Por lo tanto, en la práctica, a menudo se incluye un diodo en serie con la inductancia de carga, como se muestra en la Figura 3.17a. Con esta adición, la línea, habiéndose cargado al máximo en la primera mitad del período (Figura 3.17b), debido a la conductividad unilateral del diodo, no se puede descargar y el voltaje permanece constante hasta que el interruptor se apaga. cerrado.
Por tanto, en el ejemplo considerado, no hay necesidad de un cierre de interruptor coordinado con las oscilaciones, y el circuito de control se simplifica. En este caso, el factor de inductancia de la bobina de carga también disminuye.
Figura 3.17. Diagramas que explican el funcionamiento del modulador.
Debido a las pérdidas de voltaje en la resistencia interna del diodo y al factor Q relativamente bajo del circuito de carga ( Q < 10) минимальное напряжение на линии оказывается не выше (1,7-1,8)mi o, y la eficiencia del modulador es 85-90%. Se utiliza un circuito modulador similar en el dispositivo de transmisión del radar 55Zh6, P-18, 5N84A.
Como ejemplo, la Figura 3.18 muestra un diagrama esquemático de un modulador de línea artificial.
En un modulador de este tipo, el almacenamiento es una línea artificial y se utiliza un tiratrón o tiristor como elemento de conmutación. El elemento de conmutación se abre mediante un impulso externo, que determina solo el momento en que el dispositivo de almacenamiento comienza a descargar. La forma y la duración del pulso a la salida del modulador están determinadas por los parámetros de los elementos pasivos del circuito.
Figura 3.18. Diagrama esquemático de un modulador con una línea artificial.
La formación de impulsos finaliza cuando el dispositivo de almacenamiento se descarga completamente a través de un interruptor y un transformador de impulsos, que hace coincidir la resistencia de carga con la impedancia de la forma de onda de la línea de formación. En caso de operación de emergencia del modulador para una carga inigualable, se proporcionan circuitos de protección (en la Figura 3.18 - diodo D2).
ESQUEMA ESTRUCTURAL, PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS TÁCTICAS Y TÉCNICAS DEL RADAR
Hay varias opciones para construir un diagrama de bloques de un radar primario de tercera generación. A continuación se considera una de las posibles opciones, que utiliza los logros modernos de la ciencia y la tecnología. Los radares nacionales "Skala-M", "Skala-MPR" y "Skala-MPA" se seleccionaron como sistemas analógicos. Las características de la construcción de radares extranjeros ATSR-22, ATSR-44 se analizan en este capítulo en términos de comparación con los radares nacionales. Las diferencias en la construcción de radares de ruta y aeródromo se explican según sea necesario /
En la Fig. 1.1 muestra un diagrama de bloques de un radar de pulso primario de vista circular. Las principales características de este esquema son:
· Aplicación de dos canales transceptores con espaciado de frecuencia;
· Aplicación de un patrón de directividad de antena de dos haces en el plano vertical para recibir señales reflejadas desde objetivos;
· Aplicación del método de verdadera coherencia de selección de objetivos móviles.
La primera característica del radar está asociada con el uso de uno de los métodos para aumentar su potencial energético, el método de separación de frecuencias, que es el siguiente. Dos transmisores A y B funcionan simultáneamente
Figura 1.1. Diagrama de bloques del radar primario
a una antena común en modo de modulación de pulsos con diferentes frecuencias portadoras Fа y Fв pulsos de radio que suenan. Hay un pequeño cambio de tiempo entre estos pulsos de radio, que suele ser de 4 a 6 µs. El espaciado de frecuencia no supera los 40-60 MHz. Las señales reflejadas desde el objetivo con diferentes frecuencias se separan mediante filtros de microondas y se amplifican mediante dos canales de recepción. A y V sintonizado a las frecuencias apropiadas. Después de la detección, las señales de video de los canales A y B se combinan y se procesan juntas. En el caso más simple, las señales de video se alinean en el tiempo usando líneas de retardo y se agregan en amplitud.
La sincronización en el radar se realiza de tal manera que uno de los canales (A) es el maestro y el otro es el esclavo.
Las estaciones de radar de este tipo con un número arbitrario de canales de frecuencia se denominan radares de frecuencia multicanal con una antena común a todos los canales. Las ventajas de un radar de frecuencia multicanal sobre un radar de un solo canal son las siguientes:
· La potencia de radiación total del radar aumenta en presencia de limitaciones en la potencia de un transmisor individual;
· Se aumentan el rango de detección de objetivos y la precisión de la medición de coordenadas;
· Se incrementa la fiabilidad de la estación de radar y su inmunidad al ruido en relación a interferencias de origen artificial y natural.
El aumento en el rango de detección y la precisión de la medición de las coordenadas de los objetivos se explica por el hecho de que con una separación suficientemente grande de las frecuencias portadoras de las señales emitidas
f a -f b = Df ³ c / l c,
dónde con- la velocidad de propagación de las ondas de radio, l c es la dimensión lineal del objetivo.
Las señales recibidas y la interferencia en los canales A y B resultan no correlacionadas, y la suma de los voltajes de salida de estos canales se caracteriza por fluctuaciones de amplitud mucho más pequeñas en el proceso de observación de un objetivo en movimiento complejo que en el caso de recibir una señal. a una frecuencia. El mismo efecto de suavizar las fluctuaciones explica la posibilidad de una supresión más eficaz de los reflejos interferentes de la superficie terrestre y los objetos locales. Por ejemplo, para los radares ATSR-22 y ATSR-44, el rango operativo en el modo de frecuencia dual es un 20-30% mayor que en el modo de frecuencia única. La confiabilidad del radar al utilizar dos canales con un espaciado de frecuencia es mayor que la de un radar monocanal, debido a que si un canal falla o se apaga para mantenimiento, este radar es capaz de realizar sus funciones con un deterioro aceptable de algunos indicadores (disminución del alcance y disponibilidad del radar) ...
Otra característica importante del radar que se está considerando es el uso de un haz de antena adicional en el plano vertical para recibir señales reflejadas desde objetivos en ángulos de elevación elevados. En este caso, la zona de detección de radar en el plano vertical se forma utilizando dos haces: el haz principal (inferior) cuando la alimentación de la antena principal está en los modos de transmisión y recepción, y un haz adicional (superior) cuando está funcionando la alimentación de antena adicional. solo en el modo de recepción. El uso de un patrón de antena de dos haces para recibir señales reflejadas desde objetivos implementa uno de los métodos para tratar las reflexiones interferentes de la superficie terrestre y los objetos locales. La supresión de estas reflexiones se lleva a cabo mediante la suma ponderada de las señales recibidas a lo largo de los haces principal y adicional del patrón de haces. La dirección de máxima radiación a lo largo del haz superior se ubica en el plano vertical, generalmente de 3 a 5 ° más alto que en el inferior. Con este método de contrarrestar la interferencia, la atenuación de las señales de los objetos locales se logra entre 15 y 20 dB.
En algunos tipos de radares, el área de detección en el plano vertical se forma teniendo en cuenta el uso del procesamiento local de las señales recibidas en el sistema SDC. Este principio de formación del área de detección se muestra en la Fig. 1.2. Toda el área de detección de rango se divide en cuatro secciones 1 -1V. Los límites de las secciones se establecen de acuerdo con un programa rígido, dependiendo de las condiciones específicas para la ubicación del radar. En la Fig. 1.2 se indican:
K 1 - el límite superior del uso de señales adicionales del haz 2 procesadas en el sistema SDC (SDC adicional);
Arroz. 1.2. Principio K de formación de zonas - radar de ruta: 1 - haz principal; 2 - haz adicional
K 2 - el límite superior del uso de las señales del haz principal 1, procesado en el sistema SDC (Main. SDC);
A - el límite superior del uso de señales adicionales del haz 2, no procesadas en el sistema SDC (Add. A);
D max es el alcance máximo del radar, que es el límite superior para el uso de las señales del haz principal 1 que no se procesan en el sistema SDC.
(Principal A), la posición de los límites K 1, K 2 y A se ajusta en el rango dentro de los límites que se muestran en la figura. Para la sección III, se proporciona el uso de dos subrutinas, determinadas por la secuencia de los límites especificados (pulsos de conmutación); K 1 - A - K 2 o K 1 - K 2 -A. Este principio de formación de la zona de detección permite:
· Obtener la máxima detección en el plano vertical para suprimir la interferencia de objetos locales en la sección inicial del rango 1;
· Minimizar el área del espacio aéreo donde se utiliza la suma de las señales. SDC + Agregar. SDC y, por lo tanto, reducir la influencia de las características de velocidad del sistema SDC (sección II);
· En presencia de interferencias del tipo "ángel", que no son completamente eliminadas por el sistema SDC, es aconsejable utilizar la señal de un haz adicional (sección 111 en K 2<А).
El uso combinado de un patrón de haz de dos haces en el radar para la recepción y el procesamiento local de señales en el sistema SDC proporciona una supresión general de la interferencia de objetos locales en 45-56 dB en presencia de una sustracción de dos veces durante el período en el sistema SDC y por 50 -55 dB - con una resta triple.
Cabe señalar que el principio considerado de la formación de la zona de detección se puede aplicar tanto en los modos de operación de radar de frecuencia única como de frecuencia dual con un espaciado de frecuencia.
La diferencia entre el modo de dos frecuencias es que cuando se forma la zona de detección, se utilizan las sumas de las señales Main AA + Main c - A y Auxiliary a -A + Aux b -A sin procesar en el sistema SDC, y en el Sistema SDC, solo señales de un canal de frecuencia (maestro A, fig.1.1).
Es fácil ver que el método descrito para formar la zona de detección “se basa en la idea de controlar la estructura y los parámetros del radar, dependiendo del entorno de interferencia en condiciones operativas específicas. En este caso, el control se realiza según un programa rígido. Después de un análisis preliminar del entorno de interferencia y el establecimiento de los límites K 1, K 2. y A entre las cuatro secciones del alcance de la zona de detección, la estructura del radar adquiere una configuración fija y no cambia durante el funcionamiento del radar.
En otros radares modernos, se utiliza un método más flexible para formar la zona de detección, que implementa la idea de adaptación dinámica del radar al entorno de interferencia. Este método se utiliza, por ejemplo, en los radares ATSR-22 y ATSR-44. En este caso, toda la zona de detección se divide en dos partes iguales por rango (1 y 11). La sección 1, que se caracteriza por la mayor influencia de la interferencia de objetos locales, se divide en elementos más pequeños por alcance (16 elementos). El campo de visión de acimut igual a 360 ° también se divide en sectores elementales de 5,6 ° (64 sectores) . Como resultado, todo el campo de visión en el plano horizontal dentro de la primera mitad del rango máximo del radar se divide en 16 * 64 = 1024 celdas. Durante un ciclo de trabajo igual a tres períodos de la encuesta, se realiza un análisis de la situación de interferencia y se forma un mapa de interferencia actual en un dispositivo de almacenamiento especial del radar, que contiene información sobre el nivel de interferencia en cada una de las 1.024 celdas. Con base en esta información, se hace la elección de factores de ponderación para formar una suma ponderada de señales recibidas en los haces principal y adicional del patrón de haces, para cada una de estas celdas por separado. Como resultado, la zona de detección de radar en el plano vertical adquiere una configuración compleja: el borde inferior de la zona de detección en diferentes celdas tiene una pendiente diferente (-0,5; 0,1; 0,5 o 1 °). En la segunda mitad del rango (sección II), solo se utiliza la señal recibida en el haz principal.
Al comparar los dos métodos considerados para formar la zona de detección de radar, debe tenerse en cuenta que la combinación de las señales de los haces principal y adicional del patrón de haz en el primer método se realiza en la frecuencia de video, y en el segundo método - en una alta frecuencia. En el último caso, la operación de suma de las señales se lleva a cabo en un dispositivo especial: el modelador del borde inferior de la zona de detección (FNC, Fig. 1.1). En este caso, para el procesamiento adicional de la señal total, se usa un canal de recepción, incluido el sistema SDC. En el primer método, se requieren dos canales de recepción, lo que conduce a un aumento en la complejidad del equipo. Además, en el segundo método, las capacidades del sistema SDC se utilizan más plenamente, ya que las señales de ambos canales de frecuencia del radar se procesan en este sistema, y no solo la señal del canal principal, como en el primer método. . Junto con las ventajas enumeradas, el segundo método para formar la zona de detección tiene una desventaja significativa que complica su uso generalizado:
La suma de señales a alta frecuencia requiere una alta precisión y estabilidad en la formación de estas señales. La violación de este requisito durante el funcionamiento del radar puede conducir a una disminución en el grado de supresión de la interferencia de objetos locales debido al uso de un patrón de antena de dos haces.
Considere el principio de funcionamiento del radar, cuyo diagrama de bloques se muestra en la Fig. 1.1. Este radar opera en el modo de visualización de azimut en todos los sentidos, proporcionando detección de objetivos aéreos y midiendo el rango inclinado y el acimut de estos objetivos. La vista circular se lleva a cabo debido a la rotación mecánica de la antena del radar, que consta de un reflector parabólico y dos alimentadores de bocina: la principal y la adicional. Se utiliza una secuencia periódica de pulsos de radio con envolventes rectangulares como señal de sondeo. En este caso, la medición del acimut del objetivo se realiza mediante el método de amplitud basado en el uso de las propiedades direccionales de la antena del radar en el plano horizontal, y la medición del alcance se realiza mediante el método del tiempo por medir el retardo de la señal reflejada desde el objetivo en relación con el momento de emisión de la señal de sondeo.
Consideremos con más detalle el funcionamiento de un canal de radar. El sistema de sincronización (SS) genera pulsos de disparo de radar, que se alimentan a la entrada del modulador M del dispositivo transmisor. El modulador M, bajo la influencia de los pulsos de disparo, genera potentes pulsos moduladores que se alimentan al amplificador final (OA) del transmisor de radar, realizado según el esquema "oscilador maestro - amplificador de potencia". Un generador de radiofrecuencia (DFG), estabilizado por un resonador de cuarzo, genera oscilaciones armónicas continuas con una frecuencia f a, que son amplificadas en el amplificador final y moduladas en amplitud por pulsos moduladores (M). Como resultado, se forma una secuencia de potentes pulsos de radio coherentes con una frecuencia portadora f a y una envolvente rectangular en la salida del amplificador operacional. Estos pulsos de radio a través del conmutador de antena (AP) y la unidad de adición de potencia y separación de señal del BSRS ingresan al dispositivo de antena de radar y son emitidos por la antena hacia el objetivo.
Los pulsos de radio reflejados desde el objetivo con la frecuencia portadora f a, recibidos a lo largo del haz principal del patrón de antena, a través del BSRS, AP y amplificador de RF de bajo ruido, se alimentan a una de las entradas del modelador de borde inferior (FNC). Los pulsos de radio con la misma frecuencia fd, recibidos a lo largo del haz adicional del patrón de antena, se alimentan a través de la unidad de separación de señales del BRS y el amplificador de RF a la segunda entrada del FNC. A la salida del FNC, como resultado de la suma ponderada de las señales de los haces principal y adicional, se forma una señal total, que se alimenta a la entrada del receptor de radar. La señal de control, que determina la elección de los coeficientes de ponderación durante la suma, se alimenta a la entrada de control de la FNC desde el sistema de procesamiento de señales digitales y adaptación de radar. En el dispositivo receptor, la conversión de frecuencia, la amplificación y la selección de frecuencia de la señal en el amplificador de frecuencia intermedia y la detección se llevan a cabo utilizando detectores de amplitud y fase. La señal de video A de la salida del detector de amplitud ingresa al sistema de procesamiento digital, sin pasar por el sistema SDC, y la señal de video SDC de la salida del detector de fase ingresa a la entrada del sistema SDC, que es parte del procesamiento de la señal digital. sistema. Las señales con frecuencias de referencia f a1 y f a2 necesarias para el funcionamiento del convertidor de frecuencia y el detector de fase del receptor están formadas por un DFG maestro común. Debido a esto, en este radar se implementa un método SDC verdaderamente coherente.
Además de los procesos principales descritos anteriormente, que ocurren en la parte analógica del radar, hay una serie de procesos auxiliares que aseguran el funcionamiento normal del radar. Estos incluyen, por ejemplo, varios tipos de ajustes automáticos de ganancia del receptor:
Control de ganancia automático temporal,
Control automático de ganancia de ruido,
· Ajuste automático paso a paso del amplificador de FI mediante el circuito atenuador de ruido adaptativo.
Estos ajustes, excluyendo la BOLA, proporcionan compresión del rango dinámico de la señal de radar recibida y su coordinación con el rango dinámico del sistema de procesamiento y adaptación de señales digitales. Con la ayuda de SPHERE, se asegura la estabilización del nivel de ruido a la salida del receptor de radar.
El sistema alimentador de antena del radar incluye:
Dispositivos para el ajuste suave de la polarización de las vibraciones radiadas,
· Medidores de potencia transmitida, frecuencia y forma de la señal de sondeo.
En los radares pseudo-coherentes que utilizan dispositivos de transmisión hechos con un magnetrón, el receptor también incluye un sistema para el control automático de frecuencia del magnetrón. Este sistema sirve para sintonizar la frecuencia del magnetrón y para poner en fase un oscilador local coherente que genera oscilaciones de referencia para el sistema SDC.
En el radar considerado verdaderamente coherente, para garantizar una diferencia de frecuencia constante f a y f b dos canales de frecuencia, se utiliza un generador de desplazamiento de frecuencia especial, con la ayuda del cual, bajo la influencia de las oscilaciones del canal DFG A (ver Fig.1.1), se forman oscilaciones con frecuencias en el canal B f b y f b1 desplazado en relación con las frecuencias f a y f a1.
La parte digital del radar comienza con la entrada del sistema de procesamiento de señales digitales y adaptación del radar. Las principales funciones de este sistema son:
Limpiar la señal recibida de varios tipos de interferencia,
Asignación de información útil para asegurar las características tácticas y técnicas especificadas del radar,
Análisis de la situación actual de interferencia,
· Control automático de modos de funcionamiento y parámetros del radar (función de adaptación).
Las señales de vídeo de entrada A, SDT y Meteo, procedentes de la salida del receptor, se convierten a formato digital mediante convertidores de analógico a digital. En este caso, se lleva a cabo un muestreo de tiempo y una cuantificación de amplitud multinivel de estas señales.
La primera función del sistema de procesamiento se realiza utilizando los siguientes dispositivos digitales:
· Dispositivos para la resta interperiódica (doble o triple) del sistema SDC;
· Correlador de video para la supresión de interferencias asíncronas y señales reflejadas del período anterior de sondeo;
· Dispositivos LOG-MPV-AntiLOG para la selección de una señal útil en el contexto de la interferencia de objetivos extendidos en alcance y acimut (en particular, interferencia de formaciones meteorológicas);
· Dispositivos de extracción de señales para obtener información sobre los contornos de formaciones meteorológicas.
Al realizar la segunda función del sistema de procesamiento, se utilizan los siguientes dispositivos:
· Un dispositivo de sectorización para dividir el área de visualización en celdas y asignar memoria del sistema;
· Un cartógrafo de interferencia para la formación de un mapa dinámico de interferencia;
· Analizadores de parámetros de señales recibidas, con la ayuda de los cuales se lleva a cabo el análisis de la situación de interferencia actual (analizadores del nivel de señal en el camino de la frecuencia intermedia, la frecuencia de falsas alarmas, los parámetros de señales de formaciones meteorológicas , etc.);
· Memoria de acceso aleatorio para almacenar información sobre la situación de interferencia actual;
Dispositivos de control para generar señales para controlar los modos de operación y parámetros del radar, que determinan:
Selección de coeficientes de peso para FNC,
Selección de modo A o SDC,
Habilitar o deshabilitar el dispositivo LOG-MPV-AntiLOG,
Ajuste del umbral de detección cuando se estabiliza el nivel de falsas alarmas,
· Otros parámetros de procesamiento de señales para cada sección o celda del área de visualización por separado.
El dispositivo S (ver Fig. 1.1) combina las señales de los dos canales de frecuencia del radar. Desde la salida de este dispositivo, se transmiten dos señales combinadas a la APOI: la señal A (o SDC) y la señal Meteo. En los radares que no contienen su propio APOI, estas señales se convierten mediante convertidores de digital a analógico a forma analógica y se transmiten a las entradas del APOI, interconectadas con el radar, un indicador de control (CI) y una línea de comunicación de banda ancha SHL. . Este último proporciona la transmisión de información de radar en su forma bruta, es decir, sin pasar por el APOI, al equipo de visualización del sistema ATC no automatizado.
El equipo primario de procesamiento de información suele ser un equipo universal interconectado con varios tipos de radares. Este equipo realiza las operaciones de detección de señales de blancos aéreos y medición de sus coordenadas, además de combinar la información del radar primario con la información del radar secundario. Desde la salida del APOI, la información del radar en forma digital se transmite al centro ATC utilizando el equipo de transmisión de datos APD de banda estrecha. Además, la misma información se envía al indicador de control del CI del radar primario. Las señales generadas por el sistema de sincronización SS, así como la señal de la dirección azimutal actual del haz de la antena del radar primario, proveniente del sistema alimentador de antena, se utilizan para sincronizar el APOI, KI y los equipos de visualización conectados a través del SHL. En APOI universal, se suele proporcionar un sincronizador autónomo, que permite procesar y emitir señales a un ritmo óptimo, independientemente de los modos horarios de funcionamiento de los radares primario y secundario. Para ello, se proporcionan dispositivos de memoria intermedia en la entrada APOI, controlados por pulsos de reloj y señales de información angular de dichos radares. El procesamiento adicional en la APOI se lleva a cabo utilizando señales de control generadas por el sincronizador APOI autónomo.
Una característica importante del radar considerado prometedor es el uso de un sistema de control incorporado automático (AVC), que proporciona control de tolerancia de control analógico y de prueba de dispositivos digitales y sistemas de radar.
Estructuralmente, el radar está hecho de unidades de ensamblaje separadas: módulos, cuando está equipado en ciertas combinaciones, puede obtener varias opciones de radar que difieren en alcance, confiabilidad y costo. Con ello se consigue el uso racional de los equipos de radar, teniendo en cuenta las condiciones específicas de uso.
La ruta de transmisión de cualquier radar consta de un transmisor, un sistema de alimentación y una antena. El dispositivo de transmisión de radio está diseñado para generar señales de sonido convirtiendo la energía de las fuentes de energía en la energía de las oscilaciones de alta frecuencia (HF) y controlando los parámetros de estas oscilaciones. Para ello se suele incluir en el dispositivo transmisor una fuente de alimentación, un modulador (dispositivo de control) y un generador.
La fuente de alimentación proporciona una fuente de alimentación de CA o CC. En el segundo caso, la fuente de alimentación se realiza en forma de rectificador de alto voltaje. Ambos tipos de fuentes han encontrado aplicación en radares aéreos.
El modulador controla los parámetros de la envolvente de la señal de RF.
El generador genera una potente señal de RF, cuyos parámetros están determinados por las señales de control del modulador.
El primer grupo - con radiación continua (sin modulación y con modulación de las oscilaciones radiadas en amplitud, frecuencia y fase). Dichos dispositivos de transmisión se utilizan en sistemas de radar a bordo diseñados para determinar la velocidad respecto al suelo y el ángulo de deriva de una aeronave (por cambio de frecuencia Doppler), transmitir información de radar, etc.
El segundo grupo consiste en transmisores que operan en un modo de radiación pulsada con una duración de pulsos de HF desde fracciones de un microsegundo hasta cientos de milisegundos y un ciclo de trabajo desde unidades hasta cientos de miles. En tales transmisores, la modulación de amplitud, frecuencia y fase de las oscilaciones de HF se puede utilizar tanto dentro de un solo pulso como en una secuencia de pulsos. Además, se pueden utilizar tipos específicos de modulación (duración del pulso, código del pulso, etc.).
Diagrama de bloques de un transmisor con un generador de una etapa
La guerra moderna es rápida y fugaz. A menudo, el ganador en un enfrentamiento de combate es el primero en ser capaz de detectar una amenaza potencial y responder a ella de manera adecuada. Durante más de setenta años, el método de radar basado en la emisión de ondas de radio y el registro de sus reflejos de varios objetos se ha utilizado para buscar al enemigo en tierra, mar y aire. Los dispositivos que envían y reciben tales señales se denominan radares o radares.
El término "radar" es una abreviatura en inglés (radiodetección y alcance), que se puso en circulación en 1941, pero hace mucho tiempo se convirtió en una palabra independiente y entró en la mayoría de los idiomas del mundo.
La invención del radar es definitivamente un acontecimiento histórico. Es difícil imaginar el mundo moderno sin estaciones de radar. Se utilizan en la aviación, en el transporte marítimo, con la ayuda de un radar, se predice el clima, se identifican los infractores de las reglas de tráfico y se escanea la superficie de la tierra. Los complejos de radar (RLC) han encontrado su aplicación en la industria espacial y en los sistemas de navegación.
Sin embargo, el uso más extendido de radares se encuentra en asuntos militares. Cabe decir que esta tecnología se creó originalmente para necesidades militares y alcanzó la etapa de implementación práctica justo antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. Todos los países importantes que participaron en este conflicto de forma activa (y no sin resultado) utilizaron estaciones de radar para el reconocimiento y la detección de barcos y aviones enemigos. Se puede afirmar con seguridad que el uso de radares ha decidido el resultado de varias batallas históricas tanto en Europa como en el teatro de operaciones del Pacífico.
Hoy en día, los radares se utilizan para una amplia gama de tareas militares, desde el seguimiento de lanzamientos de misiles balísticos intercontinentales hasta el reconocimiento de artillería. Cada avión, helicóptero y buque de guerra tiene su propio sistema de radar. Los radares son la columna vertebral de un sistema de defensa aérea. El complejo de radar más nuevo con un conjunto de antenas en fase se instalará en el prometedor tanque ruso Armata. En general, la variedad de radares modernos es asombrosa. Estos son dispositivos completamente diferentes que difieren en tamaño, características y propósito.
Podemos decir con confianza que hoy Rusia es uno de los líderes mundiales reconocidos en el desarrollo y producción de radares. Sin embargo, antes de hablar de las tendencias en el desarrollo de los sistemas de radar, conviene decir algunas palabras sobre los principios del funcionamiento del radar, así como sobre la historia de los sistemas de radar.
Cómo funciona el radar
Una ubicación es un método (o proceso) para determinar la ubicación de algo. En consecuencia, el radar es un método para detectar un objeto u objeto en el espacio utilizando ondas de radio, que son emitidas y recibidas por un dispositivo llamado radar o radar.
El principio físico de funcionamiento de un radar primario o pasivo es bastante simple: transmite ondas de radio al espacio, que se reflejan en los objetos circundantes y regresan a él en forma de señales reflejadas. Al analizarlos, el radar es capaz de detectar un objeto en un determinado punto del espacio, y también mostrar sus principales características: velocidad, altura, tamaño. Cualquier radar es un dispositivo radio-técnico complejo, que consta de muchos componentes.
Cualquier radar consta de tres elementos principales: un transmisor de señales, una antena y un receptor. Todas las estaciones de radar se pueden dividir en dos grandes grupos:
- legumbres;
- acción continua.
Un transmisor de radar de pulsos emite ondas electromagnéticas durante un corto período de tiempo (fracciones de segundo), la siguiente señal se envía solo después de que el primer pulso regresa y entra en el receptor. La frecuencia de repetición de pulsos es una de las características más importantes de un radar. Los radares de baja frecuencia envían varios cientos de pulsos por minuto.
La antena de radar de pulso funciona tanto para la recepción como para la transmisión. Después de que se emite la señal, el transmisor se apaga por un tiempo y el receptor se enciende. Después de recibirlo, se lleva a cabo el proceso inverso.
Los radares de pulso tienen ventajas y desventajas. Pueden determinar el alcance de varios objetivos a la vez, un radar de este tipo puede funcionar bien con una antena, los indicadores de tales dispositivos son simples. Sin embargo, en este caso, la señal emitida por dicho radar debe tener una potencia bastante alta. También puede agregar que todos los radares de seguimiento modernos se fabrican de acuerdo con un esquema de pulso.
Las estaciones de radar de pulso suelen utilizar magnetrones o tubos de ondas viajeras como fuente de señal.
La antena del radar enfoca y dirige la señal electromagnética, capta el pulso reflejado y lo transmite al receptor. Existen radares en los que la recepción y transmisión de una señal son producidas por diferentes antenas, y pueden ubicarse a una distancia considerable unas de otras. La antena de radar es capaz de emitir ondas electromagnéticas en círculo o trabajar en un sector específico. El rayo de radar puede dirigirse en espiral o en forma de cono. Si es necesario, el radar puede rastrear un objetivo en movimiento, apuntándolo constantemente con una antena utilizando sistemas especiales.
Las funciones del receptor incluyen procesar la información recibida y transmitirla a la pantalla desde la cual es leída por el operador.
Además de los radares de pulso, existen radares continuos que emiten constantemente ondas electromagnéticas. Estas estaciones de radar utilizan el efecto Doppler en su trabajo. Se basa en el hecho de que la frecuencia de una onda electromagnética reflejada por un objeto que se acerca a la fuente de la señal será mayor que la de un objeto que se aleja. En este caso, la frecuencia del pulso emitido permanece sin cambios. Los radares de este tipo no detectan objetos estacionarios, su receptor solo capta ondas con una frecuencia mayor o menor a la emitida.
Un radar Doppler típico es el que utilizan los agentes de la policía de tráfico para determinar la velocidad de los vehículos.
El principal problema de los radares continuos es la imposibilidad con su ayuda de determinar la distancia al objeto, pero durante su operación no hay interferencia de objetos estacionarios entre el radar y el objetivo o detrás de él. Además, los radares Doppler son dispositivos bastante simples que requieren señales de baja potencia para funcionar. También debe tenerse en cuenta que los radares modernos de emisión continua tienen la capacidad de determinar la distancia a un objeto. Esto se hace cambiando la frecuencia del radar durante el funcionamiento.
Uno de los principales problemas en el funcionamiento de los radares pulsados es la interferencia de objetos estacionarios; por regla general, es la superficie de la tierra, montañas, colinas. Cuando funcionan los radares de impulsos aéreos de las aeronaves, todos los objetos ubicados debajo están "sombreados" por una señal reflejada desde la superficie de la tierra. Si hablamos de sistemas de radar terrestres o de a bordo, entonces para ellos este problema se manifiesta en la detección de objetivos que vuelan a baja altura. Para eliminar dicha interferencia, se utiliza el mismo efecto Doppler.
Además de los radares primarios, también existen los llamados radares secundarios, que se utilizan en la aviación para identificar aeronaves. La composición de dichos sistemas de radar, además del transmisor, la antena y el receptor, también incluye un transpondedor de aeronave. Cuando se irradia con una señal electromagnética, el transpondedor proporciona información adicional sobre la altura, la ruta, el número de placa y su nacionalidad.
Además, las estaciones de radar se pueden dividir según la longitud y frecuencia de la onda a la que operan. Por ejemplo, se utilizan ondas de 0,9 a 6 m (frecuencia de 50 a 330 MHz) y de 0,3 a 1 m (frecuencia de 300 a 1000 MHz) para estudiar la superficie de la Tierra, así como para trabajar a distancias significativas. Para el control del tráfico aéreo, se utiliza un radar con una longitud de onda de 7,5 a 15 cm, y los radares sobre el horizonte de las estaciones de detección de lanzamiento de misiles operan en olas con una longitud de 10 a 100 metros.
Historia del radar
La idea del radar surgió casi inmediatamente después del descubrimiento de las ondas de radio. En 1905, un empleado de la empresa alemana Siemens Christian Hülsmeier creó un dispositivo que podía detectar grandes objetos metálicos mediante ondas de radio. El inventor sugirió instalarlo en los barcos para evitar colisiones en condiciones de poca visibilidad. Sin embargo, las compañías navieras no estaban interesadas en el nuevo dispositivo.
También se llevaron a cabo experimentos con radar en Rusia. A finales del siglo XIX, el científico ruso Popov descubrió que los objetos metálicos impiden la propagación de las ondas de radio.
A principios de la década de 1920, los ingenieros estadounidenses Albert Taylor y Leo Young pudieron detectar un barco que pasaba utilizando ondas de radio. Sin embargo, el estado de la industria de la ingeniería de radio en ese momento era tal que era difícil crear diseños industriales para estaciones de radar.
Las primeras estaciones de radar que podrían usarse para resolver problemas prácticos aparecieron en Inglaterra a mediados de los años 30. Estos dispositivos eran muy grandes y solo podían instalarse en tierra o en las cubiertas de grandes barcos. Solo en 1937 se creó un prototipo de radar en miniatura que se podía instalar en un avión. Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, los británicos tenían una cadena desplegada de estaciones de radar llamada Chain Home.
Estábamos comprometidos en una nueva dirección prometedora en Alemania. Y, debo decir, no sin éxito. Ya en 1935, a Raeder, el comandante en jefe de la flota alemana, se le mostró un radar en funcionamiento con una pantalla de haz de electrones. Posteriormente, sobre esta base, se crearon muestras seriadas de radares: Seetakt para las fuerzas navales y Freya para la defensa aérea. En 1940, el sistema de control de incendios por radar de Würzburg comenzó a ingresar al ejército alemán.
Sin embargo, a pesar de los obvios logros de los científicos e ingenieros alemanes en el campo del radar, el ejército alemán comenzó a utilizar radares más tarde que el británico. Hitler y la cúspide del Reich consideraban que los radares eran armas exclusivamente defensivas, que no eran demasiado necesarias para el victorioso ejército alemán. Es por esta razón que al comienzo de la Batalla de Gran Bretaña, los alemanes habían desplegado solo ocho radares Freya, aunque en términos de sus características, al menos no eran inferiores a sus contrapartes británicas. En general, podemos decir que fue el uso exitoso de los radares lo que determinó en gran medida el resultado de la Batalla de Gran Bretaña y el posterior enfrentamiento entre la Luftwaffe y la Fuerza Aérea Aliada en los cielos de Europa.
Más tarde, los alemanes, basados en el sistema de Würzburg, crearon una línea de defensa aérea, que se llamó la "línea Kammhuber". Usando fuerzas especiales, los aliados pudieron desentrañar los secretos del trabajo de los radares alemanes, lo que permitió bloquearlos de manera efectiva.
A pesar de que los británicos entraron en la carrera del "radar" más tarde que los estadounidenses y los alemanes, en la línea de meta pudieron adelantarlos y acercarse al comienzo de la Segunda Guerra Mundial con el sistema de detección de aviones por radar más avanzado.
Ya en septiembre de 1935, los británicos comenzaron a construir una red de estaciones de radar, que ya había incluido veinte radares antes de la guerra. Bloqueó por completo el acceso a las Islas Británicas desde la costa europea. En el verano de 1940, los ingenieros británicos crearon un magnetrón resonante, que más tarde se convirtió en la base de las estaciones de radar a bordo instaladas en aviones estadounidenses y británicos.
También se llevaron a cabo trabajos en el campo de los radares militares en la Unión Soviética. Los primeros experimentos exitosos para detectar aviones utilizando estaciones de radar en la URSS se llevaron a cabo a mediados de la década de 1930. En 1939, el Ejército Rojo adoptó el primer radar RUS-1, y en 1940, el RUS-2. Ambas estaciones se pusieron en producción en serie.
La Segunda Guerra Mundial demostró claramente la alta eficiencia del uso de estaciones de radar. Por lo tanto, después de su finalización, el desarrollo de nuevos radares se convirtió en una de las áreas prioritarias para el desarrollo de equipos militares. Con el tiempo, los radares aerotransportados recibieron todos los aviones y barcos militares sin excepción, los radares se convirtieron en la base de los sistemas de defensa aérea.
Durante la Guerra Fría, Estados Unidos y la URSS adquirieron una nueva arma destructiva: los misiles balísticos intercontinentales. Detectar el lanzamiento de estos misiles se ha convertido en una cuestión de vida o muerte. El científico soviético Nikolai Kabanov propuso la idea de usar ondas de radio cortas para detectar aviones enemigos a largas distancias (hasta 3 mil km). Fue bastante simple: Kabanov descubrió que las ondas de radio de 10 a 100 metros de largo pueden reflejarse desde la ionosfera y, al irradiar los objetivos en la superficie de la tierra, regresan de la misma manera al radar.
Posteriormente, en base a esta idea, se desarrollaron radares para la detección sobre el horizonte del lanzamiento de misiles balísticos. Un ejemplo de este tipo de radar es Daryal, una estación de radar que durante varias décadas fue la base del sistema soviético de alerta de lanzamiento de misiles.
Actualmente, una de las direcciones más prometedoras en el desarrollo de la tecnología de radar es la creación de un radar con una red de antenas en fase (PAR). Estos radares no tienen uno, sino cientos de emisores de ondas de radio, cuyo trabajo está controlado por una poderosa computadora. Las ondas de radio emitidas por diferentes fuentes en una matriz en fase pueden amplificarse entre sí si están en fase o, por el contrario, debilitarse.
A la señal de radar con una matriz en fase se le puede dar cualquier forma deseada, se puede mover en el espacio sin cambiar la posición de la antena y puede funcionar con diferentes frecuencias de radiación. Un radar de matriz en fase es mucho más confiable y sensible que un radar de antena convencional. Sin embargo, estos radares también tienen desventajas: enfriar el radar con una matriz en fase es un gran problema, además, son difíciles de fabricar y costosos.
Se están instalando nuevos radares de matriz en fase en los cazas de quinta generación. Esta tecnología se utiliza en el sistema de alerta temprana de misiles de EE. UU. Se instalará un complejo de radar con una matriz en fase en el nuevo tanque ruso "Armata". Cabe señalar que Rusia es uno de los líderes mundiales en el desarrollo de radares de matriz en fase.
Si tiene alguna pregunta, déjela en los comentarios debajo del artículo. Nosotros o nuestros visitantes estaremos encantados de responderles.
La estación de radar consta de los siguientes elementos principales:
Dispositivo transmisor;
Dispositivo receptor;
Interruptor de antena y dispositivo de antena;
Dispositivo terminal;
Sincronizador.
El diagrama de bloques del radar se muestra en la Figura 5.2.
Fig.5.2 Diagrama de bloques de una estación de radar.
Dispositivo transmisor El radar está diseñado para generar una señal de sonido y transmitirla a la antena.
Dispositivo receptor El radar está diseñado para preprocesar la señal reflejada recibida por la antena. Separa la señal útil de la mezcla de señal e interferencia, convierte la señal de radio en una señal de video y la transfiere al dispositivo terminal.
Interruptor de antena está diseñado para conectar el transmisor a la antena cuando se emite la señal de sonido y para conectar el receptor a la antena cuando se recibe la señal reflejada.
Dispositivo terminal analizar la señal útil. El tipo de dispositivo terminal depende del tipo de señal (analógica o digital), el destinatario de la información del radar (operador, dispositivo de posicionamiento automático, computadora, etc.) y el tipo de información del radar.
Sincronizador proporciona una secuencia predeterminada de funcionamiento de los elementos del radar. Entonces, por ejemplo, en los radares más comunes con un modo de operación por pulsos, el sincronizador realiza las siguientes funciones:
Coordinación del momento de formación del pulso de sondeo con el momento de iniciar la base de tiempo del indicador o el conteo cero del dispositivo informático;
Coordinación de la posición del patrón direccional de la antena en el espacio con el barrido del indicador o la cuenta cero del dispositivo informático;
Determinación del momento de apertura del receptor y el intervalo de su funcionamiento.
En este caso, los siguientes métodos de sincronización son, en principio, posibles:
1. Sincronización de transmisor a terminal.
En tales radares, el momento de formación del pulso de sondeo determina el momento de iniciar la base de tiempo del indicador o el momento de poner a cero el dispositivo informático. La ventaja de este método de sincronización es que la inestabilidad de la tasa de repetición de los pulsos de sondeo del transmisor no afecta la precisión de las mediciones del radar. Sin embargo, tales radares son inherentemente inestables en el lanzamiento del dispositivo terminal, lo que es difícil de eliminar por completo.
2. Sincronización de terminal a transmisor.
En este caso, el funcionamiento del terminal y del dispositivo de transmisión está controlado por un generador de alta estabilidad, que forma parte del dispositivo del terminal. Esto logra una alta precisión de las mediciones de radar. Sin embargo, surgen problemas al cambiar la tasa de repetición de los pulsos de la sonda.
3. Sincronización mediante un oscilador de cristal independiente altamente estable, no incluido en el transmisor o dispositivo terminal.
Este método de sincronización se utiliza en la mayoría de los radares modernos, que generalmente ofrecen la posibilidad de cambiar la tasa de repetición de los pulsos de sondeo durante el funcionamiento de la estación. Esto es necesario para garantizar la interferencia del radar cuando se opera en condiciones de interferencia de radar pasiva o activa.
El diagrama estructural del radar depende principalmente de su propósito, el tipo de señal de sondeo (pulso o continuo) y el parámetro modulado de la señal de radio.
Sin embargo, en el caso general, el procedimiento para procesar una señal de radio en un radar debe coordinarse no solo con el tipo de señal de sondeo, sino también con el tipo de interferencia. Por lo tanto, el diagrama estructural del radar debe tener en cuenta las fuentes de interferencia radioelectrónica activa y pasiva.
Esta tarea complica el trabajo de cualquier radar, porque la interferencia provoca la distorsión de la señal reflejada desde el objetivo y conduce a la pérdida de información útil del radar. Por lo tanto, en el proceso de procesamiento de la señal reflejada, se intenta suprimir la interferencia, lo que se logra mediante la introducción de dispositivos electrónicos de protección contra interferencias en el diagrama estructural del radar.
El radar emite energía electromagnética y detecta ecos provenientes de objetos reflejados y también determina sus características. El objetivo del proyecto del curso es considerar el radar con una vista circular y calcular los indicadores tácticos de este radar: alcance máximo, teniendo en cuenta la absorción; resolución real en rango y acimut; precisión real del rango de medición y acimut. En la parte teórica se da un diagrama funcional de un radar activo pulsado de blancos aéreos para el control del tráfico aéreo.
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Los sistemas de radar (radares) están diseñados para detectar y determinar las coordenadas actuales (alcance, velocidad, elevación y acimut) de los objetos reflejados.
El radar emite energía electromagnética y detecta ecos provenientes de objetos reflejados, además de determinar sus características.
El objetivo del proyecto del curso es considerar el radar con una vista circular y calcular los indicadores tácticos de este radar: alcance máximo, teniendo en cuenta la absorción; resolución real en rango y acimut; precisión real del rango de medición y acimut.
En la parte teórica se da un diagrama funcional de un radar activo pulsado de blancos aéreos para el control del tráfico aéreo. También se dan los parámetros del sistema y las fórmulas para su cálculo.
En la parte de cálculo se determinaron los siguientes parámetros: rango máximo teniendo en cuenta la absorción, resolución real en rango y acimut, precisión del rango de medición y acimut.
1. Parte teórica
1.1 Diagrama funcional del radarvista panorámica
Radar - el campo de la ingeniería de radio, que proporciona observación por radar de varios objetos, es decir, su detección, medición de coordenadas y parámetros de movimiento, así como la identificación de algunas propiedades estructurales o físicas mediante el uso de ondas de radio reflejadas o reemitidas por objetos o su propia emisión de radio. La información obtenida en el proceso de vigilancia por radar se llama radar. Los dispositivos de vigilancia por radar radio-técnico se denominan estaciones de radar (radares) o radares. Los mismos objetos de observación por radar se denominan blancos de radar o simplemente blancos. Cuando se utilizan ondas de radio reflejadas, los objetivos de radar son cualquier falta de homogeneidad en los parámetros eléctricos del medio (permeabilidad dieléctrica y magnética, conductividad) en el que se propaga la onda primaria. Esto incluye aeronaves (aviones, helicópteros, sondas meteorológicas, etc.), hidrometeoros (lluvia, nieve, granizo, nubes, etc.), embarcaciones fluviales y marítimas, objetos terrestres (edificios, automóviles, aviones en aeropuertos, etc.)), todo tipo de objetos militares, etc. Los objetos astronómicos son un tipo especial de objetivos de radar.
La fuente de información de radar es una señal de radar. Dependiendo de los métodos para obtenerlo, se distinguen los siguientes tipos de vigilancia por radar.
- Radar de respuesta pasiva,basado en el hecho de que las oscilaciones emitidas por el radar, la señal de sondeo, se reflejan en el objetivo y entran en el receptor del radar en forma de señal reflejada. Este tipo de vigilancia a veces también se denomina radar de respuesta pasiva activa.
Radar de respuesta activa,llamado radar activo con una respuesta activa, se caracteriza por el hecho de que la señal de respuesta no se refleja, sino que se vuelve a emitir con la ayuda de un transpondedor especial: un repetidor. Al mismo tiempo, el alcance y el contraste de la observación por radar aumentan notablemente.
El radar pasivo se basa en la recepción de la propia emisión de radio de los objetivos., principalmente en los rangos milimétrico y centimétrico. Si la señal de sondeo en los dos casos anteriores puede usarse como referencia, lo que brinda la posibilidad fundamental de medir el rango y la velocidad, entonces en este caso no existe tal posibilidad.
Se puede pensar en un sistema de radar como un canal de radar, como los canales de comunicación por radio o de telemetría. Los componentes principales del radar son un transmisor, un receptor, un dispositivo de antena y un dispositivo terminal.
Las principales etapas de la vigilancia por radar sondetección, medición, resolución y reconocimiento.
Por detección es el proceso de tomar una decisión sobre la presencia de goles con una probabilidad aceptable de una decisión errónea.
Medición le permite estimar las coordenadas de los objetivos y los parámetros de su movimiento con errores aceptables.
Permiso consiste en realizar tareas de detección y medición de las coordenadas de un objetivo en presencia de otros, muy cerca de distancia, velocidad, etc.
Reconocimiento permite establecer algunos rasgos característicos del objetivo: es punto o grupo, movimiento o grupo, etc.
La información de radar del radar se transmite por radio o cable al centro de control. El proceso de seguimiento del radar para objetivos individuales se automatiza y se lleva a cabo mediante una computadora.
La navegación de las aeronaves a lo largo de la ruta es proporcionada por los mismos radares que se utilizan en ATC. Se utilizan tanto para controlar el mantenimiento de una ruta determinada como para determinar la posición durante el vuelo.
Para el aterrizaje y su automatización, junto con los sistemas de radiobaliza, se utilizan ampliamente los radares de aterrizaje, que permiten rastrear la desviación de la aeronave del rumbo y la trayectoria de planeo.
En la aviación civil también se utilizan varios dispositivos de radar aerotransportados. Esto, en primer lugar, incluye un radar aerotransportado para detectar formaciones y obstáculos meteorológicos peligrosos. Por lo general, también sirve para estudiar la tierra con el fin de garantizar la posibilidad de una navegación autónoma a lo largo de puntos de referencia de radar terrestres característicos.
Los sistemas de radar (radares) están diseñados para detectar y determinar las coordenadas actuales (alcance, velocidad, elevación y acimut) de los objetos reflejados. El radar emite energía electromagnética y detecta ecos provenientes de objetos reflejados, además de determinar sus características.
Consideremos el funcionamiento de un radar activo pulsado para detectar objetivos aéreos para el control del tráfico aéreo (ATC), cuya estructura se muestra en la Figura 1. El dispositivo de control de vista (control de antena) se utiliza para ver el espacio (generalmente una circular) haz de antena, estrecho en el plano horizontal y ancho en el plano vertical.
En el radar en consideración, se utiliza un modo de radiación pulsada, por lo tanto, al final del siguiente pulso de radio de sondeo, la única antena cambia del transmisor al receptor y se usa para recibir hasta que el siguiente pulso de radio de sondeo comience a generarse. , después de lo cual la antena se vuelve a conectar al transmisor, y así sucesivamente.
Esta operación se realiza mediante un conmutador de transmisión-recepción (RFP). Los pulsos de activación que establecen el período de repetición de las señales de sondeo y sincronizan el funcionamiento de todos los subsistemas de radar son generados por el sincronizador. La señal del receptor, después del convertidor de analógico a digital (ADC), va al equipo de procesamiento de información - el procesador de señal, donde se realiza el procesamiento de la información primaria, que consiste en detectar la señal y cambiar las coordenadas del objetivo. . Las marcas de destino y los trazos de trayectoria se forman durante el procesamiento primario de información en el procesador de datos.
Las señales generadas, junto con la información sobre la posición angular de la antena, se transmiten para su posterior procesamiento al puesto de mando, así como para monitorear el indicador de vista circular (IKO). Con el funcionamiento autónomo del radar, el IKO sirve como elemento principal para observar la situación del aire. Un radar de este tipo normalmente procesa información en forma digital. Para ello, se proporciona un convertidor de señal a código digital (ADC).
Figura 1 Diagrama funcional del radar de la vista circular
1.2 Definiciones y parámetros básicos del sistema. Fórmulas de cálculo
Las principales características tácticas del radar.
Rango maximo
El rango de operación máximo se establece por requisitos tácticos y depende de muchas características técnicas del radar, las condiciones de propagación de las ondas de radio y las características de los objetivos, que están sujetos a cambios aleatorios en las condiciones reales de uso de las estaciones. Por tanto, el rango máximo es una característica probabilística.
La ecuación de alcance en el espacio libre (es decir, sin tener en cuenta la influencia del suelo y la absorción en la atmósfera) para un objetivo puntual establece una relación entre todos los parámetros básicos del radar.
donde E rad - energía emitida en un pulso;
S a - área de antena efectiva;
Epho - área objetivo reflectante eficaz;
es la longitud de onda;
cima - factor de discriminación (relación de energía señal / ruido a la entrada del receptor, en el que las señales se reciben con una probabilidad determinada de detección correcta W por y la probabilidad de falsas alarmas W lt);
E w - energía del ruido que actúa durante la recepción.
Donde P y - y potencia de pulso;
y , - duración del pulso.
Donde d ar - tamaño horizontal del espejo de la antena;
d aw - dimensión vertical del espejo de la antena.
k p = k p.t. ,
donde k r.t. - coeficiente teórico de distinguibilidad.
k w.t. =,
donde q 0 - parámetro de detección;
norte - el número de impulsos recibidos del objetivo.
donde W lt - la probabilidad de una falsa alarma;
W por - probabilidad de detección correcta.
donde t reg,
F y - frecuencia de pulso;
Q a0.5 - el ancho del diagrama direccional de la antena al nivel de 0,5 en potencia
donde es la velocidad angular de rotación de la antena.
donde T encuesta es el período de la encuesta.
donde k = 1,38 10-23 J / deg es la constante de Boltzmann;
k w - factor de ruido del receptor;
T es la temperatura del receptor en grados Kelvin ( T = 300 K).
Alcance máximo del radar, teniendo en cuenta la absorción de energía de ondas de radio.
donde burro - coeficiente de atenuación;
D - el ancho de la capa debilitante.
Alcance mínimo del radar
Si el sistema de antena no impone restricciones, entonces el alcance mínimo del radar está determinado por la duración del pulso y el tiempo de recuperación del conmutador de antena.
donde c es la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, c = 3 ∙ 10 8 ;
y , - duración del pulso;
τ en - el tiempo de recuperación del conmutador de antena.
Resolución de rango de radar
La resolución de rango real cuando se usa un indicador de vista circular como dispositivo de salida está determinada por la fórmula
(D) = (D) olla + (D) ind,
r de (d) sudor - resolución de rango potencial;
(D) ind - la resolución del indicador en términos de rango.
Para una señal en forma de un paquete incoherente de pulsos rectangulares:
donde c es la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío; c = 3 ∙ 10 8 ;
y , - duración del pulso;
(D) ind - la resolución del indicador en términos de rango se calcula mediante la fórmula
r de d shk - el valor límite de la escala de rango;
k e = 0,4 - factor de utilización de la pantalla,
Q f - la calidad del enfoque del tubo.
Resolución de acimut de radar
La resolución del azimut real está determinada por la fórmula:
( az) = ( az) pot + ( az) ind,
donde ( az) sudor - resolución de azimut potencial al aproximar el diagrama de radiación con una curva gaussiana;
( az) ind - la resolución del indicador en azimut
( az) bote = 1.3 Q a 0.5,
( az) ind = d n M f,
donde d n - diámetro del punto del tubo de rayos catódicos;
M f - escala de escala.
donde r - quitar la marca del centro de la pantalla.
Precisión de la determinación de coordenadas por rango. y
La precisión de la determinación del rango depende de la precisión de la medición del retardo de la señal reflejada, los errores debidos al procesamiento de señal subóptimo, de la presencia de retardos de señal no contabilizados en las rutas de transmisión, recepción e indicación, y de errores aleatorios en la medición del rango. en dispositivos indicadores.
La precisión se caracteriza por un error de medición. El error cuadrático medio resultante del rango se determina mediante la fórmula:
donde (D) sudor - error potencial en el rango.
(D) propagación - error debido a la no linealidad de la propagación;
Aplicación (D) - error de hardware.
donde q 0 - Relación señal-ruido duplicada.
Precisión de la determinación de coordenadas en azimut.
Pueden ocurrir errores sistemáticos en la medición del azimut cuando el sistema de antena del radar está orientado incorrectamente y debido a la discrepancia entre la posición de la antena y la escala eléctrica del azimut.
Los errores aleatorios en la medición del azimut del objetivo son causados por la inestabilidad del sistema de rotación de la antena, la inestabilidad de los esquemas de formación de la marca del azimut y los errores de lectura.
El error cuadrático medio resultante de la medición del acimut se determina mediante:
Datos iniciales (opción 5)
- Longitud de onda , [cm] …............................................. ........................... .... 6
- Potencia de pulso P y , [kW] .............................................. .............. 600
- Duración del pulso y , [μs] .............................................. ........... 2,2
- Frecuencia de pulso F y , [Hz] .............................................. ...... 700
- Dimensión horizontal del espejo de la antena d ar [m] ................................ 7
- Dimensión vertical del espejo de la antena d aw , [m] ................................... 2,5
- Revisión del período de revisión T , [con] .............................................. .............................. 25
- Figura de ruido del receptor k w ................................................. ....... 5
- Probabilidad de detección correcta W por ............................. .......... 0,8
- Probabilidad de falsa alarma W lt .. ................................................ ....... 10 -5
- Diámetro de la pantalla del indicador de vista alrededor d e , [mm] .................... 400
- Área objetivo reflectante eficaz S efo, [m 2 ] …...................... 30
- Calidad de enfoque Q f ............................................................... ...... 400
- Límite de escala de rango D shk1 , [km] ........................... 50 D shk2 , [km] .......................... 400
- Marcas de medición de rango D , [km] ......................................... 15
- Medición de marcas de azimut , [deg] ........................................... 4
2. Cálculo de indicadores tácticos de revisión circular radar
2.1 Cálculo del rango máximo teniendo en cuenta la absorción
Primero, el alcance máximo del radar se calcula sin tener en cuenta la atenuación de la energía de las ondas de radio durante la propagación. El cálculo se realiza según la fórmula:
(1)
Calculemos y establezcamos los valores incluidos en esta expresión:
E rad = P y u = 600 10 3 2,2 10 -6 = 1,32 [J]
S а = d ag d av = 7 2,5 = 8,75 [m 2]
k p = k p.t.
k w.t. =
101,2
0,51 [grados]
14,4 [grados / s]
Sustituyendo los valores obtenidos, tendremos:
región t = 0.036 [s], N = 25 pulsos y k r.t. = 2, 02.
Sea = 10, entonces k P = 20.
E w - energía del ruido que actúa durante la recepción:
E w = kk w T = 1,38 10-23 5 300 = 2,07 10-20 [J]
Sustituyendo todos los valores obtenidos en (1), encontramos 634,38 [km]
Ahora determinemos el alcance máximo del radar, teniendo en cuenta la absorción de energía de ondas de radio:
(2)
Significado burro encontramos por gráficos. Para = 6 cm burro lo tomamos igual a 0,01 dB / km. Suponga que la atenuación se produce en todo el rango. Bajo esta condición, la fórmula (2) toma la forma de la ecuación trascendental
(3)
La ecuación (3) se resuelve mediante el método analítico gráfico. Para don = 0,01 dB / km y D max = 634,38 km calculamos D máx. Enlace = 305,9 km.
Producción: Se puede ver en los cálculos que el alcance máximo del radar, teniendo en cuenta la atenuación de la energía de las ondas de radio durante la propagación, es igual a D máx. L = 305,9 [km].
2.2 Cálculo de la resolución real en alcance y acimut
La resolución de rango real cuando se usa un indicador de vista circular como dispositivo de salida está determinada por la fórmula:
(D) = (D) olla + (D) ind
Para una señal en forma de paquete incoherente de pulsos rectangulares
0,33 [km]
para D shk1 = 50 [km], (D) ind1 = 0.31 [km]
para D shk2 = 400 [km], (D) ind2 = 2.50 [km]
Resolución de rango real:
para D shk1 = 50 km (D) 1 = (D) sudor + (D) ind1 = 0.33 + 0.31 = 0.64 [km]
para D shk2 = 400 km (D) 2 = (D) sudor + (D) ind2 = 0.33 + 2.50 = 2.83 [km]
La resolución del azimut real se calcula mediante la fórmula:
( az) = ( az) pot + ( az) ind
( az) pot = 1.3 Q a 0.5 = 0.663 [grados]
( az) ind = d n M f
Tomando r = k e d e / 2 (marca en el borde de la pantalla), obtenemos
0,717 [grados]
( az) = 0,663 + 0,717 = 1,38 [grados]
Producción: La resolución de rango real es:
para D shk1 = 0,64 [km], para D shk2 = 2,83 [km].
Resolución de azimut real:
( az) = 1,38 [grados].
2.3 Cálculo de la precisión real del rango de medición y acimut
La precisión se caracteriza por un error de medición. El error cuadrático medio resultante de la medición del rango se calcula mediante la fórmula:
40,86
(D) sudor = [km]
Error debido a la falta de rectitud de la propagación. (D) propagación descuidado. Errores de hardware (D) aplicación se reducen a errores de lectura en la escala del indicador (D) ind ... Aceptamos el método de contar por marcas electrónicas (anillos de escala) en la pantalla del indicador de vista circular.
(D) ind = 0,1 D = 1,5 [km], donde D - valor de división de escala.
(D) = = 5 [km]
El error cuadrático medio resultante de la medición del acimut se determina de la misma manera:
0,065
( az) ind = 0,1 = 0,4
Producción: Calculando el error cuadrático medio resultante en la medición del rango, obtenemos (D) ( az) = 0,4 [grados].
Conclusión
En este trabajo de curso se calcularon los parámetros de un radar activo pulsado (rango máximo teniendo en cuenta la absorción, resolución real en rango y acimut, precisión en rango de medición y acimut) para la detección de blancos aéreos para el control del tráfico aéreo.
Durante los cálculos, se obtuvieron los siguientes datos:
1. El alcance máximo del radar, teniendo en cuenta la atenuación de la energía de las ondas de radio durante la propagación, es D max.sl = 305,9 [km];
2. La resolución del rango real es igual a:
para D shk1 = 0,64 [km];
para D shk2 = 2,83 [km].
Resolución de azimut real: ( az) = 1,38 [grados].
3. El error cuadrático medio resultante de medir el rango es (D) = 1,5 [km]. Error RMS de medición de azimut ( az) = 0,4 [grados].
Las ventajas de los radares pulsados incluyen la simplicidad de medir las distancias a los objetivos y su resolución de alcance, especialmente en presencia de muchos objetivos en el área de visualización, así como el aislamiento temporal casi completo entre las oscilaciones recibidas y emitidas. Esta última circunstancia permite utilizar la misma antena tanto para la transmisión como para la recepción.
La desventaja de los radares pulsados es la necesidad de utilizar una alta potencia máxima de las oscilaciones radiadas, así como la imposibilidad de medir rangos cortos, una gran zona muerta.
Los radares se utilizan para resolver una amplia gama de tareas: desde asegurar un aterrizaje suave de naves espaciales en la superficie de los planetas hasta medir la velocidad del movimiento de una persona, desde controlar armas en sistemas de defensa antimisiles y antiaéreos hasta protección personal.
Bibliografía
- Vasin V.V. Rango de funcionamiento de los sistemas de medición de ingeniería radioeléctrica. Desarrollo metódico. - M .: MIEM 1977.
- Vasin V.V. Resolución y precisión de medidas en sistemas de medida de ingeniería radioeléctrica. Desarrollo metódico. - M .: MIEM 1977.
- Vasin V.V. Métodos para medir coordenadas y velocidad radial de objetos en sistemas de medición de ingeniería de radio. Notas de lectura. - M .: MIEM 1975.
4. Bakulev P.A. Sistemas de radar. Libro de texto para universidades. - M.: "Radio-
Técnica "2004.
5. Sistemas de ingeniería de radio: Libro de texto para universidades / Yu. M. Kazarinov [y otros]; Ed. Yu.M. Kazarinova. - M.: Academy, 2008 .-- 590 p.:
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