ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ РЛС

4.1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Судовые навигационные РЛС характеризуются определенными эксплуатационными и техническими параметрами, которые отражают способность РЛС выполнять те или иные навигационные задачи в области судовождения.

Основными эксплуатационными параметрами или характеристиками являются: максимальная и минимальная дальность, разрешающая способность, точность измерения расстояний и направлений, зона и время обзора, эксплуатационная надежность, помехозащищенность и др.

4.1.1. Максимальная дальность действия и минимальная дальность РЛС

Максимальная дальность радиолокационного обнаружения зависит от технических параметров радиолокационной станции, характеристик отражающего объекта, состояния атмосферы, подстилающей поверхности и других причин. Подробно этот вопрос рассматривается в следующей главе.

Минимальная дальность РЛС определяется длительностью зондирующего импульса, временем восстановления чувствительности приемника, включая инерционность антенного переключателя при переходе из режима передачи в режим приема, а также зависит от высоты установки антенны РЛС и ширины диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Пока происходит излучение зондирующего импульса, антенна отключена от приемника. Следовательно, в этот момент прием отраженных сигналов невозможен. Интервал времени τ_и, в течение которого длится зондирующий импульс, соответствует расстоянию

.

Выражая расстояние в метрах, скорость распространения радиоволн – в метрах в секунду, а длительность импульса – в микросекундах, получим

.

Кроме того, требуется еще некоторое время t_В на восстановление чувствительности приемника, который подзапирается энергией зондирующего импульса, попадающей на вход приёмника через антенный переключатель, и необходимо некоторое время на срабатывание антенного переключателя. Для коротких импульсов можно считать, что время восстановления не превышает длительность импульса, т.е. . Тогда минимальная дальность РЛС с учетом рассмотренных факторов оказывается равной . Значит, минимальная дальность уменьшается с укорочением длительности импульса.

Кроме длительности импульса, на величину минимальной дальности РЛС оказывает влияние так называемая мертвая зона станции, зависящая от высоты установки антенны и ширины диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Как следует из рис. 4.1, величина мертвой зоны равна ,

где h₁ – высота установки антенны;

θ – ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Таким образом, даже при очень малых значениях длительности импульсов минимальная дальность может оказаться большой за счет увеличения мертвой зоны РЛС.

4.1.2. Разрешающая способность

Она характеризует возможность раздельного наблюдения и определение координат нескольких объектов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Различают разрешающую способность по дальности или расстоянию и по углу или направлению (азимуту).

Разрешающая способность по дальности численно оценивается расстоянием ∆D между двумя раздельно наблюдаемыми объектами, расположенными в одном направлении относительно РЛС.

Пусть в направлении распространения зондирующего импульса находятся два точечных объекта 1 и 2 на расстоянии d друг от друга (рис.4.2). Раздельный прием отраженных сигналов от этих объектов возможен только при условии, что отражение от первого объекта закончится ранее, чем будет принят сигнал, отраженный от второго объекта. Поскольку отражение от первого объекта длится в течении периода τ_И импульса, а сигнал второго объекта запаздывает на время ∆t=2d/с, то условием раздельного приема сигналов будет являться следующее неравенство: ∆t> τ_И. Умножив левую и правую части этого выражения на с/2, получим .

Левая часть этого выражения представляет собой расстояние между объектами , а правая часть называется разрешающим расстоянием РЛС. Следовательно, для раздельного приема сигналов от первого и второго объектов необходимо, чтобы расстояние между ними было больше разрешающего расстояния d>∆D, которое зависит от длительности импульса. Часто разрешающую способность по дальности выражают через эффективную полосу частот сигнала. Тогда на основании ∆f=1/τ_И, разрешающее расстояние РЛС будет

,

где ∆f – эффективная полоса частот сигнала.

Это выражение соответствует случаю, когда отраженный сигнал имеет форму прямоугольного импульса. Для импульсов, отличающихся от прямоугольных, величина разрешающего расстояния будет иной. Например, сигнал в виде импульса с гауссовой огибающей имеет более высокую разрешающую способность. Величина разрешающего расстояния в этом случае определяется выражением

.

Рассмотренные значения разрешающей способности по дальности являются предельными или потенциальными. На практике при приеме радиолокационных сигналов в условиях наличия помех, при возникновении дополнительного расширения импульсных сигналов за счет чрезмерного сужения полосы пропускания приемного устройства, при конечных размерах пятна на экране электронно-лучевой трубки индикатора реальная разрешающая способность будет всегда хуже, чем потенциальная.

Индикатор, являясь одним из основных элементов РЛС, оказывает значительное влияние на разрешающую способность РЛС. Реальная разрешающая способность РЛС по дальности с учетом электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) индикатора будет равна

,

где ∆D₀ – реальное разрешающее расстояние РЛС по дальности;

∆D – потенциальная разрешающая способность РЛС по дальности, зависящая от длительности зондирующих импульсов;

∆D_ИНД – разрешающая способность ЭЛТ индикатора.

Последняя определяется диаметром d_П сфокусированного пятна на экране ЭЛТ и масштабом М_Р шкалы дальности индикатора:

.

Поскольку масштаб шкалы индикатора зависит от длины l_P развертки дальности индикатора и максимального расстояния D_max до объекта (цели), то ∆D₀ может быть представлено следующим образом:

.

Длина l_p – развертки дальности определяется диаметром d_Э экрана ЭЛТ и коэффициентом использования k_Э диаметра экрана:

l_p=k_Э d_Э.

Для индикатора с прямолинейной разверткой (типа А) k_Э=0,8÷0.9. Индикаторы с радиально-круговой разверткой [индикаторы кругового обзора (ИКО)] имеют соответственно k_Э=0,4÷0.45.

Как следует из выражения , на крупномасштабных шкалах (шкалах малой дальности) разрешающая способность РЛС по дальности будет больше и приближается к потенциальной, зависящей от длительности зондирующего импульса. На мелкомасштабных шкалах (шкалах большой дальности) разрешающая способность по дальности уменьшается и будет зависеть главным образом от разрешающей способности индикатора, т.е. от диаметра d_Э экрана ЭЛТ.

В обоих случаях на d_П влияет качество фокусировки луча на экране ЭЛТ, которая численно оценивается количеством пятен на диаметр или радиус экрана или диаметром пятна, величина которого для ЭЛТ с магнитной фокусировкой приближенно равна d_П = 0,5 ÷ 0,8 мм.

Повышение разрешающей способности РЛС обеспечивается также разбивкой шкалы дальности на поддиапазоны. Это позволяет по мере приближения объекта использовать для наблюдения и контроля крупномасштабные шкалы дальности.

Разрешающая способность по направлению или углу (азимуту) определяется или оценивается минимальной величиной угла α₀ между направлениями на два равноудаленных точечных объекта 1 и 2, при котором отраженные сигналы от этих объектов принимаются раздельно (рис. 4.3). α₀ называется потенциальным разрешающим углом. Чем меньше разрешающий угол, тем выше разрешающая способность РЛС по направлению.

Величина разрешающего угла α₀ зависит от ширины и формы диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости. В случае аппроксимации диаграммы направленности антенны гауссовой кривой потенциальная величина разрешающего угла равна α₀ = 0,7α_Г . В случае прямоугольной аппроксимации разрешающий угол равен α₀ = α_Г , где α_Г – ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости по точкам половинной мощности (на уровне 0,5). Таким образом, для повышения потенциальной разрешающей способности РЛС по азимуту необходимо сужать диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости, что связано с увеличением размеров антенны или укорочением длины волны.

Реальная разрешающая способность РЛС по направлению будет заметно хуже из-за влияния ЭЛТ индикатора. С учетом влияния индикатора реальный разрешающий угол α будет равен

α = α₀ + α_ИНД ,

где α_ИНД – разрешающий угол ЭЛТ индикатора, град.,

который равен угловым размерам диаметра пятна на экране ИКО в масштабе шкалы азимута α_ИНД = 57,3 d_П/r . Тогда реальный разрешающий угол с учетом диаметра d_П пятна и расстояния r отметки объекта (цели) относительно центра экрана (для ИКО) будет равен

_.

Следовательно, по мере приближения отметки объекта к центру экрана разрешающая способность РЛС по направлению ухудшается. Для повышения разрешающей способности по направлению следует использовать крупномасштабные шкалы дальности и ЭЛТ индикатора с высоким качеством фокусировки электронного луча.

Представляет практический интерес линейная разрешающая способность по направлению, характеризующаяся минимальным расстоянием между двумя объектами в тангенциальном направлении на одном расстоянии от РЛС, при котором отраженные сигналы от этих точечных объектов принимаются раздельно. Это расстояние равно D_T = αD и растет линейно с увеличением дальности D до объектов.

Разрешающая дальность ∆D и разрешающий угол α₀ образуют потенциальную разрешающую площадь РЛС, которая будет равна

, или .

Разрешающая площадь представляет собой часть окружающей площади, облучаемой РЛС, в пределах которой объекты не наблюдаются раздельно. Как следует из этой формулы, разрешающая площадь зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости, длительности зондирующего импульса и дальности D . Через разрешающую площадь можно охарактеризовать одиночный объект (цель). Если размеры объекта меньше разрешающей площади, то данный одиночный объект является точечным. Характерной особенностью точечного объекта является то, что при отражении от него ни длительность всей пачки, ни длительность ее отдельных импульсов заметно не изменяются. По аналогии с разрешающей площадью РЛС характеризуется также разрешающим объемом, который представляет собой часть пространства, облучаемого РЛС, в пределах которого объекты не наблюдаются раздельно.

Кроме значений, входящих в формулу разрешающей площади, величина разрешающего объема зависит от ширины диаграммы направленности антенны РЛС в вертикальной плоскости. Следовательно, величина разрешающего объема РЛС будет равна

.

4.1.3. Точность измерения расстояний и направлений

Она характеризуется величиной погрешностей при взятии отсчетов с помощью РЛС. Погрешности могут возникать из-за искажения формы импульсных сигналов, неточности учета скорости распространения радиоволн, влияния радиопомех, инструментальных погрешностей приборов, ограниченной разрешающей способности органов чувств наблюдателя, например, разрешающей способности глаза человека, и пр.

Ошибки измерения координат, как и всякие погрешности измерения, разделяются по признаку закономерности их возникновения на случайные и систематические.

Случайные погрешности происходят вследствие воздействия на работу РЛС различного рода факторов, точно предвидеть и учесть которые нельзя. К таким факторам относятся случайные изменения режима работы аппаратуры, воздействие помех, случайные погрешности наблюдателя и т.п. Несмотря на то, что величина и знак случайных погрешностей от измерения к измерению одной и той же величины могут принимать различные значения , последовательность ряда измерений подчиняется, как правило, закону нормального статистического распределения (закону Гаусса), описываемому функцией

,

где P_(x) – плотность вероятности случайных погрешностей;

x – случайная погрешность;

σ – средняя квадратичная ошибка, равная

.

Здесь n – количество измерений;

∆x_i – случайная погрешность i-го измерения, равная ∆x_i=x₀ - x_i ;

x₀ – истинное значение измеряемого параметра;

x_i – значение параметра, полученное при i-м измерении.

Влияние величины средней квадратичной погрешности на форму плотности нормального распределения вероятностей представлено графиками на рис. 4.4 для трех значений σ=1; σ=2; σ=4.

Из рис. 4.4 видно, что разбросанность значений случайных величин находится в прямой зависимости от средней квадратичной погрешности.

Кроме средней квадратичной погрешности, для оценки точности измерения применяют также следующие критерии: средняя арифметическая погрешность, срединная или вероятная погрешность, максимальная или предельная погрешность.

Средняя арифметическая погрешность определяется выражением

.

Как следует из этой формулы, погрешность равна среднему арифметическому из абсолютных значений случайных ошибок ряда наблюдений.

Срединной, или вероятной, называют такое значение погрешности, по отношению к которой равновероятные случайные погрешности не превосходят x_В по абсолютной величине, равной 0,5. Иными словами, 50% измерений имеют погрешность меньше x_В, а 50% – больше x_В.

Срединная погрешность определяется по формуле

.

Максимальной называют такую погрешность x_М, вероятность превышения абсолютной величины которой практически приближается к нулю.

При нормальном законе распределения вероятная (срединная) и максимальная погрешности связаны со средней квадратичной погрешностью следующими соотношениями: и .

В повседневной практической работе часто для оценки точности определения координат при помощи РЛС пользуются так называемыми погрешностями определенной вероятности. В этом случае производится большое число измерений координат объектов и после соответствующей математической обработки определяется, в каком количестве процентов всего числа измерений погрешность не превышает определенного значения. Обычно погрешности наиболее часто даются для 85 или 95% наблюдений. Между погрешностями определенной вероятности и средними квадратичными погрешностями имеет место следующая зависимость:

x_0,85=1,44σ; x_0,95=2σ.

К систематическим, т.е. постоянным, относятся погрешности, обусловленные определенными причинами, которые повторяются от одного измерения к другому или изменяются по известному закону (например, инструментальные погрешности, вызванные дополнительной задержкой отраженного сигнала в приемнике РЛС, и т.п.). Систематические погрешности могут быть определены экспериментально или расчетным путем, скомпенсированы или учтены в виде соответствующих поправок с помощью таблиц и графиков.

При испытаниях радиолокационных станций определяются как случайные, так и систематические погрешности. Случайные погрешности, характеризующие точность определения координат объектов, заносят в формуляр станции. Критерием точности определения координат для навигационных РЛС является максимальная погрешность.

Систематические погрешности измерения дальности и угловых координат объектов необходимо тщательно определять и исключать из результатов наблюдений в процессе испытаний РЛС.

Точность измерения дальности до радиолокационных объектов зависит как от внешних, так и от внутренних факторов. К внешним, например, относятся погрешности распространения, связанные нестабильностью скорости распространения радиоволн и искривления радиолуча в атмосфере. Внешними являются также погрешности, обусловленные влиянием отражающих свойств радиолокационных объектов, состоящих из большого количества элементарных отражателей. Случайное изменение положения этих отражателей вызывает флуктуацию положения кажущегося центра отражения, которое может происходить в пределах размеров объекта.

Внутренние погрешности зависят от погрешности измерения времени запаздывания отраженного сигнала относительно зондирующего; возникают из-за наличия неучтенных задержек сигнала в трактах передатчика, приемника, индикатора; могут появиться из-за погрешности считывания дальности, погрешности градуировки шкал и т.п.; создаются внутренними шумами.

По аналогии с разрешающей способностью точность определения координат можно разделить на потенциальную или предельную и реальную. Потенциальная точность зависит от формы и длительности импульсных сигналов и уровня шумов.

При приеме импульсных отраженных сигналов в приемнике эти сигналы суммируются с колебаниями шумов, имеющих случайную амплитуду и фазу (рис. 4.5). Допустим, что момент времени t₁ соответствует максимуму напряжения сигнала U_c(t) при отсутствии шумов U_ш(t). Тогда дальность до объекта измеряется безошибочно по максимуму напряжения U_c(t).

Наличие напряжения шумов U_ш(t) смещает максимум результирующего напряжения U(t), отчего измеряемая дальность будет пропорциональна времени t₂. Средняя квадратичная потенциальная погрешность измерения дальности для сигналов гауссовой формы равна

,

где q – отношение энергии сигнала к энергии шума на выходе приемника.

Таким образом, величина погрешности измерения дальности будет тем меньше, чем меньше длительность импульса и больше отношение сигнал/шум.

Суммарная средняя квадратичная погрешность измерения дальности будет равна

,

где δ_Р – средняя квадратичная погрешность распространения, связанная с условиями распространения радиоволн;

δ₀ – средняя квадратичная погрешность, обусловленная флюктуациями кажущегося центра отражения;

δ_i – средняя квадратичная инструментальная погрешность в i – м узле РЛС;

δ_{П –} средняя квадратичная потенциальная погрешность измерения дальности.

Срединная (вероятная) погрешность измерения по дальности для навигационных РЛС находится обычно в пределах 2 – 5% шкалы дальности.

Точность измерения угловых координат в горизонтальной плоскости при использовании метода пеленгования по максимуму диаграммы направленности антенны, так же как и в случае точности определения дальности, зависит от внешних факторов.

К внутренним относится погрешность, вызываемая действием шумов (потенциальная погрешность), которая зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и отношения энергии сигнал/шум. Величина потенциальной средней квадратичной погрешности измерения азимута РЛС, работающей в режиме кругового обзора, при аппроксимации огибающей выходного сигнала гауссовой кривой оказывается равной

,

где α_Г – ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости по точкам половинной мощности (на уровне 0,5), град.

Следовательно, с уменьшением угла направленности антенны в горизонтальной плоскости и увеличением отношения сигнал/шум потенциальная точность определения азимута увеличивается.

В импульсных РЛС отраженные сигналы представляют собой пачку импульсов, следующих с интервалом, равным периоду T_и следования или повторения (рис. 4.6).

Отраженный импульс, соответствующий центру пачки t₀ , может появиться не только в момент максимума огибающей центра пачки, а оказаться сдвинутым относительно центра на время ±T_и /2 .

В результате появляется угловая погрешность, среднее квадратичное значение которой равно

,

где – угловая частота вращения антенны, град./с.

К внутренним относятся также инструментальные погрешности РЛС, возникающие при отсчете наблюдателем азимута отметки объекта на экране ИКО и передачи данных вращения антенны на индикаторное устройство.

4.1.4. Зона и время обзора

Зоной обзора называется область пространства (поверхности), в пределах которой РЛС осуществляет непрерывное наблюдение за объектами. Время обзора представляет собой период времени, в течении которого РЛС производит однократно радиолокационное наблюдение всей зоны обзора. Оно связано со скоростью движения объектов. Для непрерывного наблюдения за объектами с увеличением их скорости время обзора должно уменьшаться.

4.1.5. Надежность работы

Это свойство РЛС сохранять свои эксплуатационно-технические характеристики в заданных пределах в течение определенного промежутка времени. Количественно надежность характеризуется вероятностью безотказной работы в течение установленного времени, или средним временем исправной работы станции, или частотой отказов.

4.1.6. Помехозащищенность

Способность РЛС сохранять свои основные эксплуатационно-технические характеристики в заданных пределах при воздействии помех называется помехозащищенностью. Количественно помехозащищенность РЛС оценивается обычно дальностью радиолокационного наблюдения, поскольку в этом случае в условиях помех уменьшается отношение сигнал/шум на входе приемного устройства РЛС.

Повышение помехозащищенности РЛС достигается: увеличением энергетического потенциала станции, снижением интенсивности боковых лепестков диаграммы направленности антенны, сжатием динамического диапазона приемного устройства, управлением поляризацией поля излучаемых сигналов, применением устройств и схем защиты приемных устройств от помех и др.

4.2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЛС

К основным техническим характеристикам, или параметрам, РЛС относятся длина волны (частота заполнения импульсов); частота следования или повторения импульсов; мощность передатчика; чувствительность и полоса пропускания приемника; форма диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях; степень подавления боковых лепестков; характер поляризации поля; метод и скорость обзора пространства; тип оконечного устройства (индикатора); габаритные размеры и масса станции; тип источника питания и потребляемая мощность. Технические характеристики, или параметры, выбираются исходя из требований эксплуатационных характеристик РЛС.

4.2.1. Длина волны

Длина волны судовой навигационной РЛС выбирается исходя из задачи: обеспечить обнаружение как больших, так и малых надводных и наземных объектов в заданном радиусе действия РЛС; обеспечить работу РЛС импульсами малой длительности; получить высокую направленность антенны в горизонтальной плоскости без чрезмерного увеличения размеров антенны.

Эффективное отражение энергии от объектов возможно только тогда, когда размеры объектов и радиусы кривизны отдельных участков во много раз больше длины волны. В этом случае интенсивность отражения достигает заметной величины, мало зависит от длины волны и определяется главным образом отражающими свойствами и размерами объекта. Учитывая размеры надводных объектов (буев, вех, шлюпок и др.), для успешного их обнаружения с помощью судовой РЛС пригоден только диапазон ультракоротких волн (УКВ), точнее коротковолновый участок диапазона УКВ.

Влияние импульсного характера сигналов на выбор длины волны обусловливается тем, что амплитуда колебаний нарастает и убывает в цепях не мгновенно, а по экспоненциальному закону. Например, процесс установления колебаний в контуре выражается следующей зависимостью:

,

где α – коэффициент затухания контура.

Чтобы за время t , равное длительности τ_и импульса, т.е. t = τ_и , амплитуда колебаний достигла значения 0,95U_m , необходимо выполнить следующее условие: ατ_и ≥ 3. Тогда, помня, что , получим или .

Значит, при заданной добротности Q контура, с уменьшением длительности τ_и импульса длина волны РЛС должна выбираться короче. Например, для τ_н=1мкс и Q=10³ длина волны РЛС должна быть не больше

.

В целях уменьшения минимальной дальности и повышения потенциальной разрешающей способности по дальности и точности измерения расстояний длительность импульсов современных судовых РЛС достигает τ_и=0,1÷0,002 мкс. Тогда, при тех же условиях добротности Q контура, длина волны РЛС должна быть не более

или соответственно

.

Направленные свойства применяемых в настоящее время в радиолокации зеркальных антенн зависят от длины волны и размеров антенны и связаны известной приближенной зависимостью

φ ≈ 60 λ / d,

где φ – ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности, град.;

d – размеры антенны в соответствующей плоскости.

Для обеспечения высокой потенциальной разрешающей способности по азимуту и повышения потенциальной точности определения направлений ширина диаграммы направленности антенн судовых навигационных РЛС должна быть 1 – 0,25º. Тогда из данного выражения следует, что длина волны РЛС при средних размерах антенны в горизонтальной плоскости, равной d=220 см, должна быть в пределах

и .

Увеличение длины волны свыше указанного значения вызывает необходимость применять антенны больших размеров или расширять диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости. Например, при длине волны λ = 10 см и увеличении размеров антенны в горизонтальной плоскости до допустимого для крупнотоннажных судов значения d = 330 см ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости достигнет 2,3º, отчего ухудшится разрешающая способность РЛС по направлению.

Кроме указанных факторов, длина волны РЛС оказывает влияние на дальность обнаружения низкорасположенных надводных объектов и на максимальную дальность радиолокационного обнаружения.

С уменьшением длины волны дальность обнаружения низкорасположенных надводных объектов увеличивается, но одновременно уменьшается максимальная дальность действия РЛС вследствие затухания, связанного с увеличением поглощения электромагнитной энергии в тропосфере.

На основании изложенного в судовых навигационных РЛС используется сантиметровый диапазон радиоволн. Причем стандартными в этом диапазоне являются длины волн 3,2 и 9,8 см.

4.2.2. Частота следования или повторения импульсов

Частота следования или повторения импульсов выбирается исходя из задачи однозначного определения дальности и эффективности обнаружения объектов в условиях кругового обзора. При этом учитываются длительность прямого хода развертки, скорость вращения антенны и ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Для однозначного определения дальности до объекта необходимо, чтобы период T_и следования зондирующих импульсов превышал длительность t_пр прямого и t_обр обратного ходов развертки (рис. 4.7):

T_и > (t_пр + t_обр).

Длительность прямого хода развертки электронно-лучевой трубки индикатора связана с дальностью обнаружения зависимостью

t_пр =2D_max /с,

где D_max – максимальная дальность действия РЛС по шкале индикатора.

Время обратного хода обычно не превышает t_обр ≤ 0,25 t_пр. Тогда , или частота следования импульсов

, или , где - в милях.

Это выражение связывает максимальное значение частоты F_И следования импульсов с максимальной измеряемой дальностью до объекта. Минимальная частота следования импульсов F_{н min} выбирается исходя из задачи: при заданной скорости обзора окружающего пространства обеспечить облучение точечного объекта определенным минимальным количеством N_min зондирующих импульсов (отраженных импульсов в пачке), достаточным для обнаружения объектов с заданной вероятностью. Воспользовавшись выражением , связывающим время облучения объекта t_обл с шириной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости α_Г и угловой скоростью вращения антенны, можно найти минимальную частоту F_{и min} по заданному значению N_min :

; ,

откуда

,

где N_min – число импульсов в пачке (не менее 10-15).

Из данного выражения следует, что при медленном вращении и широкой диаграмме направленности антенны минимальная частота F_{и min} следования импульсов может быть взята более низкой, а при узкой диаграмме направленности и большей скорости вращения антенны частота F_{и min} должна быть увеличена.

Практически рабочая частота F_и следования или повторения импульсов РЛС выбирается из условия F_{и min} < F_и < F_{и max} и лежит в среднем в пределах 400-3200 имп/с. Учитывая, что судовые навигационные РЛС обычно работают на разных шкалах дальности, рабочая частота F_и следования импульсов может изменяться. Например, на шкалах малой дальности используются частоты 1000-3200 имп/с, на шкалах большой дальности 400-800 имп/с.

4.2.3. Мощность передатчика

Мощность передатчика оказывает влияние на дальность действия РЛС. Различают мощность импульсную и среднюю. Импульсной называют среднее значение мощности за время τ_и длительности импульса. Средней является мощность за период T_и следования импульсов.

В общем случае импульсная мощность определяется выражением

,

где P – средняя мощность передатчика за период высокой (несущей) частоты.

Импульсная P_и и средняя P_ср мощности для импульсов прямоугольной формы связаны между собой зависимостью

P_иτ_и = P_срT_и ,

Откуда

, или .

В связи с тем, что отношение , называемое скважностью, имеет значительную величину, средняя мощность РЛС оказывается равной десяткам ватт при импульсной мощности, достигающей десятков и сотен киловатт.

Значение средней мощности влияет на энергетический потенциал РЛС и определяет потребляемую мощность от источника питания.

Поскольку увеличение средней мощности связано с увеличением частоты следования или длительности импульсов, то для сохранения постоянства теплового режима магнетронного генератора рекомендуется среднюю мощность РЛС оставлять по возможности без изменения при различных частотах следования или различной длительности импульсов. Это достигается тем, что при переходе РЛС на работу импульсами меньшей длительности повышается частота следования или посылки импульсов, и наоборот.

4.2.4. Чувствительность и полоса пропускания приёмника

Чувствительность и полоса пропускания приемника являются одними из важных параметров, так как наряду с мощностью передатчика определяют дальность радиолокационного обнаружения и качество работы РЛС.

Чувствительность приемника характеризует его способность принимать слабые сигналы при воздействии помех. В диапазоне сантиметровых волн, используемом судовыми навигационными РЛС, причинами помех будут собственные шумы приемника.

Источниками собственных шумов являются: тепловое движение электронов и других носителей зарядов в активных сопротивлениях и проводниках; флюктуации электронного потока, обусловленные дробовым эффектом электронных ламп; флюктуации, сопровождающие прохождение носителей заряда через потенциальные барьеры в полупроводниковых приборах и пр.

Шумовые свойства приемника характеризуются коэффициентом шума, который равен отношению

,

где Р_С.ВХ – мощность сигнала на входе приемника;

Р_Ш.ВХ – мощность шумов на входе приемника;

Р_С.ВЫХ – мощность сигнала на выходе линейной части приемника (на входе детектора);

Р_Ш.ВЫХ – мощность шумов на выходе линейной части приемника.

Коэффициент шума показывает, во сколько раз реальный приемник ухудшает отношение сигнала к шумам по сравнению с идеальным не шумящим приёмником.

Далее находим мощность сигнала на входе приемника:

.

Отношение называется коэффициентом различимости, который определяет необходимый для нормальной работы минимум отношения мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника. Тогда

.

Шумы на входе приемника возникают вследствие теплового движения электронов в антенне, создающих на ее сопротивлении R_А, равном сопротивлению излучения, напряжение шумов U_Ш.ВХ.

Величина этого напряжения определяется интегральной формулой

,

где k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^-23 Дж/К;

T₀ – температура антенны, которую принимают равной 290 К;

Df = f₁ – f₂ – полоса пропускания частот.

Если в пределах полосы Df сопротивление R_A = const, то тогда

.

Пользуясь эквивалентной схемой входной цепи приемника (рис. 4.8), можно определить шумовой ток в цепи при согласовании антенны с входом приемника R_A = R_вх;

.

Тогда мощность шумов на входе приемника будет

,

или окончательно

.

На основании изложенного минимальная мощность сигнала на входе, представляющая собой чувствительность приемника равна

.

Отсюда следует, что чувствительность приемника в основном определяется коэффициентом шума N_ш и полосой пропускания частот Df. Значение коэффициента шума зависит от конструкции приемника и рабочей частоты настройки. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн коэффициент шума может достигать 30 – 100.

Полоса пропускания Df определяется длительностью импульсов. Ее оптимальное значение, при котором отношение сигнал/шум на выходе приемника будет максимальным, приблизительно равно Df_opt = 1,37/τ_И. Количественно способность приемника принимать слабые сигналы при наличии помех характеризуется предельной и реальной, или пороговой, чувствительностью.

Предельной называют такую минимальную мощность на входе приемника, при которой отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приемника равно единице:

.

Реальной, или пороговой, чувствительностью называют минимальную мощность на входе приемника, при которой отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника равно коэффициенту различимости m>1.

Чувствительность приемника выражается в единицах мощности (долях ватта) или децибелах:

,

где - в децибелах;

Р_оп – опорный уровень мощности, равный обычно 1 Вт.

Чувствительность приемников современных судовых навигационных РЛС равна 10^-11 – 10^-12_, или 110 – 120 дБ относительно опорного уровня Р_оп = 1Вт.

4.2.5. Основные параметры, характеризующие свойства антенны

Для получения высокой разрешающей способности по азимуту и необходимой точности определения направления на обнаруженные объекты при наличии крена и деферента судна форма диаграммы направленности антенны судовой навигационной РЛС должна быть веерной, т.е. узкой в горизонтальной и широкой в вертикальной плоскости, и обладать достаточной направленностью, от которой во многом зависит дальность действия РЛС.

Основными параметрами, характеризующими свойства антенны, являются: ширина диаграммы направленности в горизонтальной α_Г и вертикальной q плоскостях по точкам половинной мощности (на уровне 0,5); степень подавления или интенсивность боковых лепестков, коэффициент направленности и коэффициент усиления антенны по мощности; характер поляризации электромагнитного поля.

Коэффициент направленности антенны представляет собой отношение максимальной интенсивности излучения А_max к средней интенсивности излучения А_ср:

.

Под интенсивностью излучения понимается излучаемая мощность Р за единицу телесного угла, тогда ; . Откуда коэффициент направленности антенны равен

.

Если значения ширины диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности выражены в градусах, то

.

Форма диаграммы направленности реальной антенны, кроме основного лепестка, имеет ряд боковых лепестков, интенсивность которых уменьшается с увеличением угла отклонения от оси основного лепестка. Слишком большая интенсивность боковых лепестков уменьшает мощность, излучаемую в основном направлении, что снижает коэффициент направленности антенны, а также может вызвать появление ложных изображений объектов на экране РЛС.

Интенсивность, или степень подавления боковых лепестков, выражается в децибелах и характеризуется отношением мощности Р_б максимального бокового лепестка к мощности Р основного лепестка:

.

Для обеспечения нормальной работы РЛС уровень боковых лепестков должен быть на 20–30 дБ ниже уровня основного лепестка.

Характер поляризации электромагнитного поля антенны определяется направлением вектора электрической составляющей Е.

Обычно антенны судовых навигационных РЛС используют линейную горизонтальную или вертикальную поляризацию поля, при которой направление вектора вертикально или горизонтально. Однако при отражении электромагнитной энергии от объектов происходит, как правило, деполяризация отраженного поля, т.е. поляризации падающей и отраженной волн не совпадают. Например, при облучении электромагнитным полем тонкого вибратора последний создает отраженную волну, поляризованную вдоль вибратора. При наличии у падающей волны двух ортогональных составляющих поля одна из них в этом случае может быть подавленной.

Сложные объекты изменяют поляризацию падающей волны по случайному закону, отчего сигналы на входе приемника РЛС вследствие поляризации, как правило, ослабляются. Исключение составляют объекты симметричной формы, например шар или плоский диск, облучаемый в направлении оси, которые не искажают поляризацию падающей на них волны.

Поляризационные особенности отраженного поля могут быть использованы для ослабления влияния метеорологических факторов на обнаружение объектов. В этом случае используются антенные устройства с круговой поляризацией поля.

4.2.6. Типовые технические характеристики судовых навигационных РЛС

Табл. 4.1

В табл. 4.1. приведены типовые технические характеристики судовых навигационных РЛС.