ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

5.1. 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. При обнаружении могут возникать следующие ситуации: при условии, что сигнал фактически есть, решение о наличии сигнала – правильное обнаружение, а решение об отсутствии сигнала – пропуск объекта или цели.

Если сигнала фактически нет, то решение, что сигнал отсутствует, – правильное необнаружение, а решение о наличии сигнала – ложная тревога. Значит, пропуск сигнала и ложная тревога – ошибочные решения при обнаружении. Результаты обнаружения радиолокационных сигналов в условиях помех носят вероятностный характер. Поэтому возможность возникновения тех или иных ситуаций характеризуют вероятностями правильных и ошибочных решений. В соответствии с этим различают вероятности: правильного обнаружения, правильного необнаружения, пропуска сигнала (цели), ложной тревоги.

Выделение полезных сигналов из помех, принятие решения о наличии или отсутствии цели в наблюдаемой области и определение координат называется первичной обработкой радиолокационных сигналов. Источник сигналов для производства обработки – напряжение, снимаемое с выхода приемного устройства.

Устройства, обнаруживающие сигналы, относятся к классу решающих устройств. В простейшем случае решающее устройство представляет собой ограничитель, на вход которого подается выходной сигнал приемника U(t) и пороговое напряжение U₀. Если выброс напряжения смеси «сигнал плюс помеха» U(t) превышает некоторый уровень U₀ , то сигнал есть. Наоборот, когда выброс напряжения смеси U(t) меньше уровня ограничения U₀ , то сигнала нет (рис. 5.1).

Поскольку шумы – процесс случайный, то не исключено, что некоторые всплески шумового напряжения могут превысить уровень ограничения U₀ и появится решение о наличии сигнала, хотя в действительности объект отсутствует. Этот случай соответствует ложной тревоге. Могут иметь место также случаи, когда напряжение смеси U(t) оказывается ниже уровня U₀. Тогда решающее устройство зафиксирует отсутствие сигнала, хотя фактически объект или цель находятся в данном направлении.

Радиолокационные сигналы обрабатываются в течение одной или нескольких смежных разверток по дальности, поэтому в случае индикатора кругового обзора за вероятность обнаружения принимается обычно 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. Например, 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 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:

, (5.1)

исходя из того, что ,

где а,b – размеры антенны.

Формула (5.1) 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

. (5.2)

Следовательно, максимальная дальность действия РЛС в свободном пространстве зависит от импульсной мощности передатчика, направленности антенны, импульсной чувствительности приемника, ЭПО объекта. Как следует из формулы (5.2), 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. Из формулы (5.2) также следует, что максимальную дальность действия РЛС влияет и длина волны. Это объясняется тем, что неизменное значение ширины диаграммы направленности антенны при увеличении длины волны может быть достигнуто увеличением S_A, что соответственно увеличивает ее направленность.

5.2. 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. 5.2, 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.

Угол ψ фазового сдвига состоит из скачка фазы φ при отражении энергии от водной поверхности и угла β, обусловленного разностью хода прямой и отраженной волн, т.е. Dd=(d₁+ d₂)–D. В связи с высокой проводимостью морской поверхности можно допустить, что ρ=1 и φ = π. Тогда суммарное поле у объекта

.

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

,

тогда

.

Следовательно, суммарное поле у объекта

.

Из этой формулы следует, что напряженность поля у объекта в зависимости от h₁, h₂ и D изменяется по синусоидальному закону. Например,

при и т.д. .

Если и т.д. .

Соответственно суммарная плотность мощности П₀ у объекта:

, (5.3)

где П₁ – плотность потока мощности у объекта прямой волны.

На рис. 5.2,б представлен график зависимости Е₀ для разных направлений диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в координатах h₂, D при фиксированной высоте h₁. Как следует из этого графика, суммарное поле оказывается неравномерным и в пределах диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости носит лепестковый характер. Число лепестков n зависит от высоты h₁ и длины волны .

Для обнаружения низко расположенных надводных объектов большое значение имеет наклон лепестка, т.е. угол q относительно водной поверхности, который определяется из условия первого максимума суммарного поля . Тогда допуская, что при h₂<< D tgq =q, имеем , или в градусах .

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн угол q очень мал, что обеспечивает большую дальность обнаружения не только крупных, но и малых низко расположенных надводных объектов (знаки навигационного ограждения, шлюпки, катера и пр.).

Сигналы, отраженные от объектов и принимаемые РЛС, – также результат суммирования полей прямой и отраженной от водной поверхности радиоволн. Тогда, исходя из формулы (5.3), 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:

.

Отсюда следует, что отражение от водной (земной) поверхности уменьшает дальность действия РЛС в зоне, лежащей ниже первого максимума диаграммы направленности антенны (ниже первого лепестка). В этом случае 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 снижением угла q наклона нижнего лепестка, для чего, как отмечалось, необходимо укорачивать длину волны РЛС и увеличивать высоту установки антенны. Однако с уменьшением длины волны увеличивается затухание электромагнитной энергии в атмосфере. 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.

5.3. 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 % по отношению к дальности обнаружения при нормальной (стандартной) рефракции, имеющей место при температуре 15°С на уровне моря, при равномерном падении температуры с высотой на 0,0065°С/м и постоянной влажности на различных высотах.

На дальность действия РЛС значительное влияние оказывает затухание энергии радиоволн в кислороде, парах воды, гидрометеорах и т.д. С укорочением длины волны затухание увеличивается. Затухание в кислороде и парах воды особенно сильно проявляется на некоторых волнах и обусловлено явлением резонансного поглощения. Максимальное поглощение энергии парами воды имеет место на радиоволнах 1,34 и 0,16 см, кислородом воздуха – на радиоволнах 0,5 и 0,25 см.

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. Затухание зависит также от плотности завесы (содержание воды в 1 м³ воздуха), формы частичек воды, температуры и т.п. Например, затухание энергии радиоволн, вызываемое туманом, обратно пропорционально дальности визуальной видимости. Иными словами, чем больше воды содержится в тумане, тем хуже видимость и меньше дальность действия РЛС. Установлено, что туманы в полярных областях (температура 0°С) сильнее сокращают дальность радиолокационного обнаружения, чем туманы в умеренной зоне (температура 15°С). Последние в свою очередь оказывают более сильное влияние на затухание радиоволн, чем туманы в тропической зоне (15 – 30°С).

При визуальной видимости более 80 м влияние тумана сказывается слабо. При уменьшении визуальной видимости ниже 50 м дальность радиолокационного обнаружения сокращается. Ввиду того, что частицы воды, образующие туман, очень малы, отражение энергии радиоволн от частиц тумана практически не обнаруживается.

Дожди вызывают заметное ослабление дальности действия РЛС. Степень ослабления зависит от интенсивности осадков. Уменьшение дальности зависит также от расположения объектов относительно зоны дождя. При нахождении объекта внутри зоны дождя дальность обнаружения уменьшается сильнее, чем при расположении объекта позади зоны дождя.

Отражение энергии в сторону РЛС, вызываемое дождем, часто бывает значительным. В этом случае на экране РЛС появляется мерцающее свечение. Мелкие дождевые капли дают слабое отражение энергии. Поэтому при мелких дождевых каплях в диапазоне сантиметровых (3,2 см) волн на экране индикатора отраженные сигналы практически обычно не обнаруживаются. Град и снег по сравнению с дождем при одинаковом количестве осадков вызывают меньшее поглощение энергии. Дождевые облака, особенно грозового характера, дают заметное отражение электромагнитной энергии, которое фиксируется на экране индикатора в виде светлых пятен с мягко очерченными границами. Грозовое облако может создавать и более резкое очертание светлых пятен на экране.

5.4. СЖАТИЕ ИМПУЛЬСОВ

Для увеличения дальности радиолокационного наблюдения 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:

.

Таким образом, степень сжатия сигнала сжимающим фильтром зависит от произведения девиации частоты входного импульса на его длительность. В результате сжатия амплитуда выходного сигнала увеличивается в раз, а мощность – соответственно в раз.

В качестве сжимающего фильтра применяют линии задержки (ЛЗ) с переменным временем группового запаздывания, называемые дисперсионными. Различные дисперсионные задерживающие устройства имеют характеристики t_гр = t_гр(f), отличающиеся рабочей полосой частот Df_м = f₂ – f₁ и перепадом времени группового запаздывания t_{гр (max)} – t_{гр (max)} в пределах этой полосы. В качестве такой линии задержки можно применить, например, отрезок волновода.

Известно, что групповая скорость распространения энергии в волноводе определяется выражением

,

где с – скорость распространения энергии в свободном пространстве;

- критическая длина волны, зависящая от размеров волновода.

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

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

Большие переменные задержки можно получить на электрических линиях задержки с распределёнными или сосредоточенными постоянными в трактах усиления промежуточной частоты, поскольку в этом случае могут быть обеспечены большие замедления.

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.

Схема дисперсионного ультразвукового волновода изображена на рис.5.6. 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 с огибающей вида .