Дальность действия радиолокационных станций

Лекция 4

4.1. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РЛС В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

 

Дальность действия радиолокационной станции определяется максимальным расстоянием между радиолокатором и объектом (целью), который должна обнаружить РЛС.

Обнаружением называется процесс принятия решения о наличии или отсутствии радиолокационных сигналов в условиях помех.

 

Выделение полезных сигналов из помех, принятие решения о наличии или отсутствии цели в наблюдаемой области и определение координат называется первичной обработкой радиолокационных сигналов.

 

Устройства, обнаруживающие сигналы, относятся к классу решающих устройств.

 

Радиолокационные сигналы обрабатываются в течение одной или нескольких смежных разверток по дальности, за вероятность обнаружения принимается

 

отношение числа обзоров (оборотов антенны), при которых отметка от надводного объекта того или иного типа четко просматривается на экране индикатора, к общему числу последовательных обзоров за данный промежуток времени.

Пример, при вероятности обнаружения 0,5 отметка цели на экране ИКО появляется за каждый второй поворот антенны; при вероятности 0,7 отметка цели на экране будет появляться 2 раза за 3 оборота антенны и т.д.

 

Дальность действия РЛС определяется мощностью Р_пр принимаемых отраженных сигналов на входе приемника, которая должна быть не меньше пороговой мощности Р_пр(min), называемой чувствительностью приемника.

 

Кроме чувствительности, дальность действия зависит от мощности передатчика, направленности антенны, ЭПО объекта, состояния атмосферы, подстилающей поверхности и пр.

 

Под дальностью действия в свободном пространстве подразумевается дальность, зависящая от технических характеристик РЛС и от отражающих свойств объекта (цели). Влияние атмосферы, формы Земли и подстилающей поверхности в этом случае не учитывается.

Если антенна РЛС – изотропный (ненаправленный) излучатель, то вся излучаемая мощность равномерно распределяется по объему сферы. Тогда плотность потока мощности на поверхности сферы у объекта

,

где Р_И – излучаемая импульсная мощность передатчика;

D – расстояние до объекта;

4πD² – площадь сферы.

Благодаря направленным свойствам антенны плотность потока мощности в направлении максимального излучения увеличится в G_А раз:

,

где G_А – коэффициент направленности антенны.

Под действием облучающего поля объект извлекает и вновь переизлучает в окружающее пространство мощность

.

Переизлучаемая объектом мощность рассеивается в окружающем пространстве, и часть ее, достигая РЛС, создает у антенны плотность потока мощности

,

которая создает на входе приемника, согласованного с антенной, мощность отраженного сигнала

,

где S_А – эффективная площадь антенны.

 

Тогда при условии, что для передачи и приема сигналов используется одна и та же антенна, то эту формулу можно представить следующим образом:

, (4.1)

исходя из того, что ,

где а,b – размеры антенны.

 

Формула (4.1) представляет собой основное уравнение радиолокации.

Она отражает зависимость мощности отраженных сигналов на входе приемника от технических характеристик РЛС, ЭПО объекта (цели) и расстояния до него.

Если мощность на входе приемника ограничить его чувствительностью, то условию соответствует . Тогда дальность действия в свободном пространстве

. (4.2)

Следовательно, максимальная дальность действия РЛС в свободном пространстве зависит от импульсной мощности передатчика, направленности антенны, импульсной чувствительности приемника, ЭПО объекта. Как следует из формулы (4.2), среди перечисленных факторов наибольшее влияние на дальность действия оказывает направленность антенны.

Например, для увеличения дальности в 2 раза импульсную мощность передатчика необходимо увеличить в 16 раз, или на столько же повысить чувствительность приемника, уменьшая . Такое же увеличение дальности обеспечивается повышением коэффициента направленности действия антенны в 4 раза.

 

4.2. ВЛИЯНИЕ ВОДНОЙ (ЗЕМНОЙ) ПОВЕРХНОСТИ

 

Водная или земная поверхность влияет на дальность действия судовой навигационной РЛС из-за отражения электромагнитной энергии от подстилающей поверхности, а также вследствие сферичности Земли, ограничивающей дальность радиолокационного обнаружения.

Если длина волны РЛС во много раз меньше высоты установки антенны h₁ и облучаемого объекта h₂, то вследствие отражения радиоволн от водной (земной) поверхности сигналы РЛС достигают объекта и отражаются обратно двумя путями: непосредственно прямым путем и путем отражения от водной поверхности (рис. 4.2,а).

 

Если поле прямой волны у объекта равно Е₁, то напряженность поля отраженной волны Е₂ имеет фазовый сдвиг, равный углу ψ, и амплитуду

Е₂=ρЕ₁,

где ρ – коэффициент ослабления поля при отражении от водной поверхности.

 

 

Разность хода лучей Dd прямой и отраженной волн при условии, что D>>h₁ и D>>h₂,

,

тогда

 

Число лепестков n зависит от высоты h₁ и длины волны .

 

Сигналы, отраженные от объектов и принимаемые РЛС, – также результат суммирования полей прямой и отраженной от водной поверхности радиоволн.

 

Суммарная мощность отраженных от объекта сигналов на входе приемника, согласованного с антенной, с учетом влияния водной поверхности,

, (5.4)

где Р_ПР – мощность на входе приемника прямых сигналов, равная мощности в свободном пространстве.

 

Поскольку практически D >> h₁h₂, то

. (5.5)

В этом случае выражение (5.4) с учетом формул (5.1) и (5.5) можно представить следующим образом:

 

.

Ограничивая мощность на входе приемника его чувствительностью Р₀=Р_пр(min), получим следующее выражение для определения максимальной дальности радиолокационного обнаружения с учетом влияния подстилающей поверхности:

.

 

Увеличение мощности зондирующих импульсов и повышение чувствительности приемника мало влияют на увеличение дальности действия РЛС, так как в этом случае D^|_max пропорционально корню восьмой, а не четвертой степени из отношения Р_и /Р_пр(min), как это имело место в свободном пространстве.

Увеличение дальности действия РЛС в этом случае можно достигнуть увеличением высоты установки антенны.

Повышение высоты h₁ увеличивает минимальную дальность (мертвую зону) РЛС. Поэтому при выборе длины волны учитываются эти особенности.

 

В диапазоне ультракоротких волн, особенно на сантиметровых и миллиметровых волнах, дифракция, т.е. способность радиоволн огибать выпуклую поверхность Земли, выражена очень слабо. Поэтому радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов распространяются почти прямолинейно и кривизна земной поверхности ограничивает дальность действия РЛС дальностью прямой радиолокационной видимости.

 

Как следует из рис. 5.3, дальность D_ПР прямой радиолокационной видимости будет равна:

,

где R_Э – эффективный радиус Земли.

 

В связи с тем, что D_ПР >> h₁ и D_ПР >> h₂, то .

Для так называемой стандартной атмосферы R_Э = 1,33·6370 = 8460 км.

Тогда

,

где D_ПР – в милях; h₁ и h₂ – в метрах.

 

4.3. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ

 

Влияние атмосферы выражается в следующем: из-за атмосферной рефракции радиоволны отклоняются от прямолинейного распространения; поглощается и рассеивается энергия радиоволн в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

 

Атмосферная рефракция, т.е. преломление радиоволн в нижних слоях атмосферы,

 

возникает вследствие того, что давление, температура и влажность воздуха медленно убывают с высотой. Это в свою очередь уменьшает диэлектрическую проницаемость воздуха и, следовательно, вызывает увеличение скорости распространения радиоволн с ростом высоты. По этой причине траектории радиолучей искривляются в направлении земной поверхности, и дальность действия РЛС повышается, так как для данной высоты антенны и объекта предельное расстояние, на которое будут распространяться радиоволны, увеличивается.

 

Случаи повышенной рефракции наблюдаются в весенне-летний период в средних широтах, а в тропических районах могут иметь место в течении всего года.

 

При увеличении влажности воздуха с высотой или резком против нормального падении температуры может возникнуть субрефракция (пониженная рефракция). Это вызывает искривление лучей вверх, отчего дальность радиолокационного обнаружения уменьшается.

 

Погода с такими метеорологическими условиями бывает, например, во время снегопада в осеннее и зимнее время в полярных районах. В этом случае максимальная дальность обнаружения объектов может уменьшиться на 20-30 %

 

Затухание радиоволн, вызываемое дождем, туманом, снегом, происходит по двум причинам.

Во-первых, капли воды в атмосфере – несовершенный диэлектрик для сантиметровых волн и поэтому возбуждаемый в каплях воды ток СВЧ создает тепловые потери энергии.

Во-вторых, при значительных размерах водяных капель имеет место отражение и рассеяние радиоволн.

 

4.4. СЖАТИЕ ИМПУЛЬСОВ

 

Для увеличения дальности радиолокационного необходимо повышать энергию зондирующих импульсов, т.е. увеличивать импульсную Р_И мощность РЛС и длительность τ_И зондирующих импульсов. Однако увеличение импульсной мощности РЛС ограничивается средней мощностью генератора СВЧ, диэлектрической прочностью элементов передающего устройства и пр.

 

Увеличение длительности зондирующих импульсов снижает разрешающую способность РЛС по дальности, уменьшает потенциальную точность измерения расстояний до объектов.

 

Для устранения отмеченного недостатка применяют метод сжатия импульсов, позволяющий РЛС излучать импульсы большой длительности, а на выходе приемника получать отраженные импульсы меньшей длительности.

 

В радиолокационной системе со сжатием импульсов обычно используют внутриимпульсную частотную модуляцию.

 

Структурная схема РЛС со сжатием импульсов методом частотной модуляции изображена на рис. 5.4, а временные графики процессов – на рис.5.5.

 

 

 

Модулятор передатчика изменяет несущую частоту заполнения зондирующих импульсов (рис.5.5,а) по определенному закону.

 

Например, линейному закону (рис. 5.5,б), т.е. в интервале времени от t₁ до t₂ частота заполнения импульсов линейно изменяется от f₁ до f₂.

 

Отраженные частотно-модулированные импульсные сигналы длительностью τ_{И ,} принимаемые РЛС после преобразования и усиления по промежуточной частоте, проходят через сжимающий фильтр, скорость распространения сигналов через который увеличивается с повышением частоты.

 

Тогда сжимающий фильтр ускоряет составляющие импульсного сигнала с более высокими частотами у заднего фронта импульса и замедляет составляющие сигнала с более низкими частотами у переднего фронта импульса.

 

В результате на выходе сжимающего фильтра приемника получаем импульсы с постоянной частотой заполнения и длительностью τ_И2, которая будет меньше длительности τ_И1 зондирующих импульсов: τ_И2 < τ_И1 (рис. 5.5,в).

 

Отношение длительности входного импульса τ_И1 к длительности выходного τ_И2 называется коэффициентом сжатия:

.

 

 

В качестве сжимающего фильтра применяют линии задержки (ЛЗ) с переменным временем группового запаздывания, называемые дисперсионными.

 

С повышением частоты (уменьшением длины волны l) групповая скорость распространения энергии в волноводе увеличивается.

 

Используемые в качестве сжимающего фильтра отрезки волновода включаются не в тракт усиления промежуточной частоты, а в тракт принимаемой сверхвысокой частоты до преобразователя супергетеродинного приемника.

 

Еще большие переменные временные задержки, но при меньших полосах частот, можно обеспечить, применяя ультразвуковые волноводы, выполненные в виде лент или цилиндрических проводов из материала, проводящего ультразвук.

 

 

Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрические колебания в ультразвуковые благодаря прямому пьезоэффекту и ультразвуковые колебания – в электрические вследствие обратного пьезоэффекта.

 

Для компенсации амплитудно-частотных искажений в схеме применяется корректирующий усилитель, обеспечивающий на выходе ультразвукового волновода получение сжатого импульса.