Характеристика проблемы оптимизации в радиотехнике

Оптимизация радиотехнических устройств и систем

Пассивные постановщики помех

Анализ коэффициентов селекции

Основные направления в проектировании средств радиопротиводействия РЛС

РЛС имеют слабую энергетическую защищенность, но хорошую возможность по обеспечению временной защиты. На ее покрытие в станциях радиопротиводействия часто расходуется избыточная мощность, что ведет к возникновению энергетических затруднений. Практически системы радиопротиводействия и подавляемые РЛС одинаковы по габаритам, потребляемой мощности, стоимости.

Средние значения коэффициентов селекции

k пол	k н	k ч	k под	k в	k з
		1000-10 000			5·10^10

Итак, несмотря на кажущуюся энергетическую беззащитность РЛС, необходимо разумно расходовать энергию передатчика помех, т.е. без наведения не обойтись. Можно выделить какой-то параметр, по которому преимущественно наводится помеха. Из анализа значений коэффициентов селекции ясно, что наибольший эффект дает наведение по частоте, времени или направлению, поэтому возможны три основных направления в развитии систем радиопротиводействия РЛС. В связи с этим различают системы радиопротиводействия (станции помех) с наведением помех по несущей частоте, по направлению, по времени.

Линза Люнеберга – линза, в которой коэффициент преломления не является постоянным, а изменяется по некоторому закону в зависимости от расстояния от центра в сферических или от оси в цилиндрических линзах. Обычно закон изменения коэффициента преломления подбирается таким образом, чтобы при прохождении линзы параллельные лучи фокусировались в одной точке на поверхности линзы, а испущенные точечным источником на поверхности – формировали параллельный пучок.

Ход лучей в сечении линзы Люнеберга.

Градации голубого иллюстрируют зависимость коэффициента преломления

Рисунок 16.19 – Линза Люнеберга

.

Уголковый отражатель – устройство в виде прямоугольного тетраэдра со взаимно перпендикулярными отражающими плоскостями. Излучение, попавшее в уголковый отражатель, отражается в строго обратном направлении.

Принцип действия Рупор (уголковый отражатель, в виде тетраэдра) для тестирования радара

Рисунок 16.20 – Уголковый отражатель

.

Основное внимание уделим оптимизации РЭС на уровне систем и устройств (РТУ) Под оптимизацией РТС будем понимать операцию нахождения наилучшей в определенном смысле структуры путем расчета оптимальных характеристик устройств, входящих в состав РТС.

Аналогично под оптимизацией РТУ понимается нахождение рациональной структуры устройств путем использования оптимальных характеристик радиотехнических цепей, входящих в состав РТУ.

Путем оптимизации вырабатываются обоснованные рекомендации для разработки и проектирования РЭС. В процессе проектирования рекомендации, полученные при оптимизации, должны учитываться наряду с рекомендациями, вытекающими из опыта проектирования, моделирования, экспериментирования и т.д.

Обосновывая актуальность оптимизации, целесообразно рассмотреть вопросы массового производства унифицированной радиоаппаратуры и изготовления уникальных радиосредств.

При массовом производстве имеет место «стихийная оптимизация», обусловленная накоплением опыта производства и эксплуатации. Массовую продукцию выпускает параллельно ряд предприятий, при этом производится отбор удачных вариантов. Непрерывность производства в течение относительно продолжительного времени позволяет осваивать новые элементы по мере их разработки. Однако отсутствие точных расчетов, определенная случайность предложений, наличие консерватизма в вопросах внедрения приводят к тому, что изделия отличаются от оптимальных. Внедрение оптимизации по каждой единице продукции может дать некоторый эффект, который в условиях массового производства окажется весьма значительным.

Уникальные РТС создаются малыми сериями и отличаются дороговизной. При разработке и производстве таких средств слабо используется накопленный опыт, поскольку РТС, как правило, строятся на новых принципах действия при почти полной замене элементной базы. В этих условиях возрастает роль предварительных теоретических исследований и оптимизации.

Расширение сфер применения уникальных РТС, быстрое наращивание качественных показателей ведут к тому, что увеличивается число уникальных систем, возрастает соответственно значение оптимизации, особенно ее методологии.

Приведем ряд задач, на которых продемонстрируем методику оптимизации радиотехнических устройств и систем, покажем, что выявление нужных закономерностей и ограничений, формализация задачи и ее решение не являются тривиальными, что требуется глубокое знание объекта исследования, математического аппарата и определенный опыт постановки и решения задач

Постановка задач оптимизации и применение стоимостного критерия. Известно значительное число задач оптимизации радиотехнических устройств и цепей. Это в первую очередь задачи по нахождению оптимальной структуры радиоприемника, решаемые методами статистической теории радиоприема, базирующейся на работах В.А. Котельникова и других исследователей. Следует отметить также задачу, которая ставится и решается на иерархическом уровне радиосистем по нахождению оптимальных значений мощности передатчика и чувствительности радиоприемника при ограничении на стоимость системы, обеспечивающей максимальную дальность действия.

Постановка задачи оптимизации сводится к следующему:

1) произвести целенаправленный анализ рассматриваемого объекта, выбрав критерии оценки его качества;

2) сформулировать цель, к которой мы стремимся, выполняя оптимизацию, достижимую при различных сочетаниях показателей элементов, составляющих исследуемый объект;

3) наложить ограничения, в рамках которых наилучшим образом достигается цель при конкретном сочетании показателей элементов;

4) формализовать задачу так, чтобы воспользоваться одним из известных математических методов.

Чтобы конкретизировать постановку задачи оптимизации, обратимся к оптимизации радиолокатора обнаружения цели. Исходная модель радиолокатора сводится к схеме радиолокационного приемопередатчика, у которого варьируются мощность Р изл излучения передатчика и чувствительность приемника, определяемая минимальной мощностью Р о, необходимой для нормального обнаружения. Все другие элементы модели и обстановки, в которой используется радиолокатор, в нашей задаче считаются неизменными. Целенаправленный анализ такой системы приводит к соотношению:

. (17.1)

где D o – дальность действия радиолокатора, G – КНД приемопередающей антенны, σц – эффективная площадь рассеяния цели, λ – длина волны.

Уравнение (17.1) связывает тактическую характеристику D o системы с техническими характеристиками Р изл и Р о передатчика и приемника. Данная величина D o реализуется при различных сочетаниях Р изл и Р о. Важно, чтобы это сочетание было в каком-то отношении наилучшим. Тогда получим оптимальные значения Р изл и Р о, а следовательно, оптимальную систему. Нетрудно видеть, что для оптимизации одного лишь соотношения (17.1) недостаточно. Надо продолжить анализ до получения другой связи Р изл и Р о. Тактический критерий можно дополнить стоимостным критерием.

Стоимость технического объекта является монотонной функцией от любого прямо определенного показателя этого объекта. Например, применительно к рассматриваемому случаю стоимость передатчика С прдтем выше, чем больше его мощность Р изл. Показатель Р о – обратно определенный показатель, и его целесообразно превратить в прямо определенный, приняв за характеристику приемника величину 1/ Р о (в качестве количественной характеристики чувствительности). Тогда стоимость приемника С прм будет также монотонно изменяться в зависимости от чувствительности 1/ Р о. Учитывая это свойство, можно говорить, что стоимость является критерием эффективности радиосистем. За монотонную функцию принимают зависимость некоторой статистически усредненной величины стоимости от качественных показателей исследуемого объекта.

Пусть каким-то способом получена зависимость стоимости С, объекта от некоторого его параметра х_l (х_l, в данном случае Р изл и Р о), показанная на рис. 17.1. Далее предположим, что оптимальное значение х_{l opt} лежит в границах от до. Правильность выбора границы зависит от опыта исследователя. При узких границах можно с достаточной точностью воспользоваться методом линеаризации. Для выбранного участка

где а_l – удельная стоимость i -го устройства.

Таким образом, для радиолокатора можно записать еще одну зависимость:

. (17.2)

где С – общая стоимость радиолокатора, С с – стоимость всех не варьируемых элементов, а также затраты, необходимые для образования радиолокатора как системы.

Наличие соотношений (17.1 ) и (17.2), полученных в результате целенаправленного анализа, позволяет сформулировать задачу оптимизации в двух постановках:

1 ) максимизировать S, если задано значение С ₃, 2) минимизировать С, если требуется обеспечить заданное значение S ₃.

Рисунок 17.1

Решение задачи в обеих постановках сводится к нахождению Р _излорt и P _0optметодом отыскания экстремумов путем дифференцирования.

В первой постановке получим:

Во второй постановке:

.

Отметим, что если участок выбран неправильно, т.е. оптимальное значение оказалось вне его, то следует повторить оптимизацию для нового участка с учетом результатов уже проведенной оптимизации. Пример показывает, что для оптимизации требуются новые данные, в частности дополнительные технико-экономические сведения об объектах.

Дата добавления: 2014-01-11