Радиолокационные системы

ЧАСТЬ 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. Лекция 1. Радиолокацией называется обнаружение, определение координат и параметров движения различных объектов (целей), отражающих, переизлучающих или излучающих электромагнитную энергию (радиоволны). Комплекс радиотехнических устройств, выполняющих указанную задачу, представляет собой радиолокационную станцию (РЛС), или радиолокатор. Радиолокационным объектом может быть любое физическое тело или группа тел, электрические и магнитные свойства которых (диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость) отличаются от свойств среды, в которой распространяются радиоволны. В условиях мореплавания такими объектами являются суда, знаки навигационного ограждения, береговая черта, айсберги, надводные и береговые сооружения и пр. Радиолокационные объекты могут быть точечными и протяженными. Радиолокационное изображение на экране индикатора РЛС (отметка) точечных объектов или целей имеет одинаковую форму и размеры. Точечными объектами являются малоразмерные надводные цели, например буй, веха с отражателями или без них. Точечным объектом может оказаться также и крупноразмерная цель, например, судно среднего или большого тоннажа, если оно находится на большом расстоянии от РЛС. Полезная информация о радиолокационном объекте доставляется радиосигналами, приходящими от объекта к радиолокационной станции. В зависимости от происхождения этих сигналов радиолокация подразделяется на пассивную и активную. Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций и создание им помех. Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Рис.1. Пассивная радиолокация Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным тепловым радиоизлучением. Поэтому пассивная радиолокация называется часто радиотеплолокацией. Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности. C помощью РЛС пассивной системы можно, например, различать границу между водой и сушей, определять трассу проходящих судов, так как температура кильватерной струи бывает выше температуры воды. Активная система радиолокации может быть с пассивным (первичная радиолокация) и активным ответом. РЛС с пассивным ответом содержит радиопередатчик, приемопередающие антенны, радиоприемник и индикатор (рис. 2.2.). Рис.2. Активная радиолокация с пассивным ответом (основная). Активная радиолокация с активным ответом отличается от системы с пассивным ответом наличием на объекте или заранее обусловленном пункте приемопередатчика (ответчика), который отвечает на сигналы РЛС (запросчика). Такая система позволяет не только обнаружить и определить координаты объекта, но и опознать объект. Электромагнитная энергия прямых или зондирующих сигналов, излучаемых передающей антенной, распространяясь в пространстве, отражается от объекта и принимается приемником. В зависимости от структуры зондирующих радиолокационных сигналов различают два метода радиолокационного обнаружения: - метод непрерывного излучения колебаний, - импульсный. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ Упрощенная структурная схема импульсной РЛС представлена на рисунке 3. Рассмотрим работу станции, используя временные диаграммы (рис.4). Антенный переключатель (АП) подключает антенну к передатчику, генерирующему радиоимпульсы длительностью τи с периодом повторения Tи на время генерации τи. В промежутке между излучениями радиоимпульсов антенный переключатель АП подключает антенну к приёмнику. На вход приёмника поступают отражённые от цели радиосигналы. В приемнике осуществляется демодуляция принятых радиоимпульсов. В результате демодуляции выделяются видеоимпульсы, которые поступают на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ. Развертка луча по экрану ЭЛТ осуществляется внутренним генератором пилообразного напряжения, работа которого синхронизирована с запускающими импульсами синхронизатора. При наличии отражения от цели на экране ЭЛТ появится отраженный импульс и расположенный на оси развертки на некотором расстоянии от излученного импульса. Для измерения времени запаздывания отраженного импульса используется (ЭЛТ). Развёртка по дальности в ЭЛТ может осуществляться по радиусу, диаметру или окружности. В зависимости от того, как производится развёртка, индикаторы называются индикаторами с радиальной, линейной и кольцевой развёрткой. Рис. 3. Упрощенная схема импульсной РЛС с линейной разверткой. На рис. 4 приведены соответствующие обозначениям на рис.3 осциллограммы напряжений. Синхронизатор вырабатывает последовательность кратковременных видеоимпульсов (так называемых синхронизирующих импульсов U1 для управления работой передатчика, приемника и индикатора РЛС. Синхроимпульсы синхронизируют (согласовывают во времени) совместную работу указанных выше устройств РЛС. Длительность радиоимпульса равна  с периодом Ти. Длительность прямого хода Тпр.хода должна быть равна периоду следования импульсов Ти. Во время обратного хода луча ЭЛТ запирается внешним синхронизирующим напряжением с задержкой и поэтому обратный ход луча должен быть невидимым. При повторении прямого хода более 30 раз в секунду изображение на экране ЭЛТ будет неподвижным из-за инерционности глаз человека. Рис.4. Осциллограммы напряжений импульсной РЛС. Дальность до цели определяется временем задержки между излученным и принятым сигналами определяется простой формулой для вычисления расстояния: 𝐷= с-скорость света, tз – время задержки 𝑐𝑡з 2 Эксплутационные характеристики РЛС: Максимальная дальность это расстояние, на котором возможен прием отраженного сигнала при прохождении луча ЭЛТ и зависит технических параметров РЛС, отражающих свойств объекта, состояния атмосферы, подстилающей (водной) поверхности и других причин. Потенциальная максимальная дальность РЛС: 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝑐𝑇пр.ход. 2 Тпр.ход. – время прямого хода луча ЭЛТ. Действительная дальность зависит от рельефа, затухания сигнала в атмосфере, расстояния прямой видимости, чувствительности приемника и т.д. Всегда Dmax>Dдейств. Если цель находится на расстоянии, превышающем максимальную дальность 𝑐𝑡з 𝑐𝑇пр.ход. 𝐷= + 2 2 то отраженный импульс совпадет с импульсом, пришедшим от меньшего расстояния 𝐷 = с𝑡з Возникает неопределенность в определении истинного расстояния до цели. Для разрешения этой проблемы оператор на короткое время изменяет период следования синхроимпульсов. В этом случае отметки от целей находящихся в пределах максимальной дальности не меняют своего местоположения, а отметки от дальних целей смещаются. Потенциальная минимальная дальность РЛС, это расстояние, на котором отраженный импульс не перекрывается с излученным импульсом. Потенциальная минимальная дальность РЛС: 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 𝑐 (𝜏и + 𝑡в ) 2 Действительная минимальная дальность: 𝑐 (𝜏и + 𝑡в ) 𝐷Д = + 𝐷 2 D – зависит от условий распространения сигнала. Разрешающая способность РЛС по дальности это минимальное расстояние D между двумя, раздельно наблюдаемыми целями, расположенными в одном направлении относительно РЛС. На рис.5 показаны расположение целей и приняты импульсы отражения на экране ЭЛТ. Как видно из рис.5 от рядом летящих самолетов отраженные от них импульсы приходят в одно и тоже время и сливаются в один импульс. Расстояние между самолетами, когда отраженные импульсы можно еще различить зависит от разрешающей способности РЛС и толщины луча (движущегося пятна) на экране ЭЛТ. Рис.5. Отражение от двух целей Потенциальная разрешающая способность РЛС: 𝑐𝜏и. 𝐷 = 2 Реальная разрещающая способность зависит от полосы пропускания приемника и размеров толщины луча (пятна) на экране ЭЛТ: 𝐷инд = 𝑑п М где; dп - диаметр электронного пятна ЭЛТ, М - масштаб шкалы дальности индикатора. Обычно: 𝐷𝑚𝑎𝑥 𝑀= 𝑙 Dmax - максимальное расстояние до цели, l - длина развертка ЭЛТ. Поэтому реальная разрешающая способность РЛС по дальности определяется уравнением: 𝑐𝜏и. 𝐷𝑚𝑎𝑥 𝐷 = 𝐷 + 𝐷инд = + 𝑑п 2 𝑙 Таким образом, реальная разрешающая способность хуже из-за толщины луча (пятна). РЛС с индикатором кругового обзора (ИКО) Индикатор кругового обзора очень удобен для наблюдения за обстановкой, так как на его экране воспроизводятся все объекты, окружающие станцию, а центр экрана соответствует положению станции. Индикатор кругового обзора работает следующим образом. В момент посылки импульса электронный луч начинает свое движение от центра по радиусу согласно генератору развертки. Одновременно прямоугольный положительный импульс напряжения подается на управляющий электрод 2 и отпирает ее. С появлением в отклоняющей системе ЭЛТ нарастающего (пилообразного) тока электронный луч начинает плавно отклоняться от центра к краю трубки и на экране появляется светящийся радиус развертки. Радиальное движение луча по экрану видно очень слабо. В момент прихода отраженного сигнала потенциал между сеткой и управляющим катодом возрастает, трубка отпирается и на экране начинает светиться точка, соответствующая положению в данный момент луча, совершающего радиальное движение. Расстояние от центра экрана до светящейся точки будет пропорционально расстоянию до объекта. На рис. 6. Приведена упрощенная схема РДС с индикатором кругового обзора. Рис. 6. Упрощенная схема РЛС с индикатором кругового обзора. Отклоняющая катушка развертки вращается вокруг горловины ЭЛТ. Механизм вращения отклоняющей системы связан синхронной передачей с сельсином-датчиком антенны СПДУ, поэтому отклоняющая катушка вращается вокруг горловины ЭЛТ синхронно и синфазно с антенной Направление его движения синхронно связано с направлением излучения антенны. За полный оборот антенны электронный луч, двигаясь по радиусам, обходит всю поверхность экрана. В результате этого на экране ЭЛТ появляется вращающийся радиус развертки. При повороте антенны поворачивается линия развертки и на экране индикатора начинают светиться новые участки, соответствующие импульсам, отражающимся от различных объектов, находящихся на различных пеленгах. За полный оборот антенны вся поверхность экрана ЭЛТ покрывается множеством радиальных линий разверток, которые засвечиваются только при наличии на соответствующих пеленгах отражающих объектов. Таким образом, па экране трубки воспроизводится полная картина окружающей судно обстановки. Для ориентировочного измерения расстояний до различных объектов на экране ЭЛТ масштабные кольца (неподвижные круги дальности) от генератора масштабных импульсов. Для более точного измерения расстояния в РЛС применяется специальное дальномерное устройство, с так называемым подвижным кругом дальности (ПКД). Для измерения расстояния до какой-либо цели на экране ЭЛТ необходимо, вращая ручку дальномера, совместить ПКД с меткой цели и взять отсчет в милях и десятых долях по счетчику, механически связанному с рукояткой дальномера. Наиболее распространенным видом последовательного обзора для обнаружения целей является круговой линейный обзор. В этом случае сектор диаграммы направленности (ДН) антенны с равномерной скоростью перемещается в горизонтальной плоскости, совершая круговое движение (рис.7.). При секторном обзоре вращение антенны возвратно-круговое. Рис. 7. Перемещение диаграммы направленности антенны РЛС при круговом вращении. Скорость вращения антенны выбирается такой, чтобы период tобз обзора был как можно меньше. Это повышает точность измерения координат и уменьшает скачки отметки отраженных сигналов от движущегося объекта, воспроизводимых на экране индикатора. При вращении антенны РЛС против часовой стрелки (рис.6) она начинает облучать цель левым краем диаграммы направленности. В этом положении диаграмма направленности нарисована черным. Облучение цели радиоимпульсами продолжается до тех пор пока цель не выйдет за пределы правой части ДН. Это положение ДН отмечено красным цветом. Время tобл облучения цели зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и угловой скорости обзора 𝛼 𝑡обл =   - ширина диаграммы направленности, град. - угловая скорость антенны, град/сек. Между угловой скоростью и частотой вращения антенны n в оборотах в минуту имеет место следующая зависимость: =6n Тогда время облучения: 𝑡обл = 𝛼 6𝑛 Задаваясь временем облучения и шириной диаграммы направленности антенны, можно найти предельную угловую скорость обзора антенны РЛС: 𝛼 𝑚𝑎𝑥 = 𝑡обз И определить максимальную частоту вращения антенны в оборотах в минуту: 𝛼 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 6𝑡обз Время облучения выбирается исходя из периода Tи следования импульсов и заданного минимального числа Nmin отраженных импульсов в пачке, необходимого для уверенной фиксации объекта на экране индикатора: 𝑡обл = 𝑁𝑚𝑖𝑛 𝑇и На рис. 8. показаны импульсы, попадающие на приемник РЛС. Огибающая импульсов совпадает с ДН антенны, а время приема отраженных импульсов равно времени облучения цели. Рис.8. Амплитуда принятых импульсов во времени. Лекция 2 АМПЛИТУДНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ЦЕЛИ Определение угловых координат в радиолокации принято называть пеленгацией. В радиолокации основными методами определения угловых координат являются амплитудные методы: - метод максимума, - метод минимума, - равносигнальный метод - метод сравнения. Метод максимума используется, как правило, в обзорных РЛС и предполагает использование антенны с узкой диаграммой направленности. При сканировании зоны обзора во время прохождения лучом направления на цель принимается пачка отраженных импульсов. Огибающая амплитуд принимаемых импульсов соответствует форме диаграммы направленности системы, а максимум огибающей - направлению на цель. Определение в моменте экстремума огибающей пачки положения антенны соответствует направлению на цель. Основным параметром антенной угломерной системы является ее пеленгационная характеристика, которая представляет собой зависимость входного напряжения приемника от направления приходящих отраженных сигналов Uвх() (рис.1). Здесь в виде векторов обозначены амплитуды отраженного сигнала на входе приемника в зависимости от горизонтального угла . Пеленгационной характеристикой называется огибающая амплитуды принимаемого сигнала. Рис.1. Пеленгационная характеристика обзорной РЛС. Точность измерения направления определяется крутизной пеленгационной характеристики или пеленгационной чувствительностью, которая является производной пеленгационной характеристики при  =0: 𝐺= 𝑑𝑓(𝛼) 𝑈пр (𝛼𝑚𝑎𝑥 ) − 𝑈пр (𝛼𝑚𝑎𝑥 − ∆𝛼) = 𝑑𝛼 ∆𝛼 На рис.2 направление на цель не совпадает с направлением максимума пеленгационной характеристики, т.е. антенну мы должны повернуть на угол , чтобы получить максимум сигнала и произвести отсчет азимутального угла цели. Рис. 2. Метод максимума При максимальном методе пеленгования пеленгационная чувствительность очень мала, ошибки пеленгования методом максимума большие и будут равны: ∆𝛼 = (0,2 − 0,3)𝛼ант Азимут цели определяется по угловому положению яркостной отметки на экране индикатора, показанной на рис.3. . Рис.3. Определение азимута цели. Недостатком метод максимума является большая погрешность определения угла на цель из-за его малой пеленгационной чувствительности. Метод минимума. Для этого метода пеленгационная характеристика приведена на рис.4 Рис.4 Метод минимума определения азимута. Пеленгационная характеристика при этом методе: 𝑓 (𝛼 ) = 𝑓𝑎 (𝛼 )𝑠𝑖𝑛 ( 𝜋𝑑  𝑠𝑖𝑛) d- диаметр антенны,  - длина волны РЛС. При пеленгации по методу минимума о направлении на цель судят по направлению минимума пеленгационной характеристики (рис.4 ) в момент, когда амплитуда сигнала пеленгуемой цели достигает наименьшей величины. Это означает, что пеленг отсчитывается в тот момент, когда направление минимума пеленгационной характеристики совпадает с направлением на цель. Пеленгационная характеристика с резко выраженным минимумом может быть получена путем противофазного включения двух антенн. Однако в практике радиолокации метод минимума используется крайне редко в силу того, что при совмещении направления минимума с направлением на цель отраженный сигнал исчезает, что нарушает возможность дальнометрии. Равносигнальный метод. В этом методе также используются также две антенны. Диаграмма направленности от двух совмещенных антенн показана на рис. 5. Рис.5. Равносигнальный метод определения азимута. Основными достоинствами равносигнального метода пеленгации являются более высокая точность, чем при методе максимума, и возможность определения стороны отклонения цели от равносигнального направления, определить направление движения цели. Поэтому равносигнальный метод пеленгации имеет широкое распространение в практике радиолокации как в режиме ручного, так и в режиме автоматического сопровождения по направлению. На рис. 6. приведена блок-схема равносигнального метода при линейной развертке. Антенная система состоит из двух одинаковых антенн и направления максимумов их диаграмм направленности расходятся под некоторым углом 2α0 как на предыдущем рисунке. Рис.6. Блок-схема равносигнального метода при линейной развертке. Отраженные от пеленгуемой цели сигналы принимаются по очереди, то на одну, то на другую антенну. Антенны переключаются специальным входным переключателем. Раздельное наблюдение импульсов, принимаемых на первую и вторую антенны, можно выполнить различными путями в том числе и путем смещения одного из импульсов на экране индикатора типа А вдоль линии развертки. Для этого при помощи переключателя в цепь развертки периодически вводится дополнительное постоянное напряжение в виде батареи источников питания. Разумеется, что этот переключатель должен работать синхронно со входным. Оператор, поворачивая антенную систему в плоскости пеленгации, добивается такого ее положения, при котором указанные импульсы на индикаторе будут равны между собой. В этот момент оператор отсчитывает пеленг цели по прибору, указывающему угловое положение антенной системы. МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ Определение скорости цели Метод непрерывного излучения колебаний при радиолокационном обнаружении объектов основан на эффекте Доплера, при котором частота сигнала, поступающего на приемное устройство, меняется в зависимости от относительной скорости движения между передатчиком и приемником. В результате Доплеровского эффекта принимаемая частота выше – при уменьшении расстояния между передатчиком и приемником и ниже – при увеличении этого расстояния. Если относительное движение отсутствует, то принимаемая частота точно соответствует передаваемой частоте. Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера. На рис.7. приведен рисунок поясняющий работу РЛС с непрерывным излучением. Рис. 7. Блок схема РЛС с непрерывным излучением В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражённый от цели. В смесителе они сравниваются, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской Отраженный от цели сигнал на приемник РЛС придет с запаздыванием на время tз и запишется в виде: 𝑈пр(𝑡) = 𝑈0 cos(𝜔0 𝑡 − 2𝑘𝑅) Где 0 – рабочая частота РЛС k- - волновое число среды распространения (воздух), R- расстояние до цели Найдем мгновенную частоту принятого сигнала: 𝜕𝜑 𝜕𝑅 𝜔= = 𝜔0 − 2𝑘 = 𝜔0 + 2𝑘𝑉рад 𝜕𝑡 𝜕𝑡 Где Vрад – радиальная скорость цели. Видно, что частота отраженного сигнала от приближающегося к РЛС 𝜕𝑅 цели увеличивается, т.к. производная отрицательная: 𝜕𝑡 𝜕𝑅 𝑅2 − 𝑅1 = 0 𝜕𝑡 𝑡2 − 𝑡1 Где значком 2 обозначено конечное положение цели, а значком 1 предыдущее положение цели, значит R2R1, т.к. цель приближается к РЛС. Скорость цели определяется ∆𝜔допл ∆𝜔допл = 𝑐 2𝑘 2𝜔0 Где допл=-0 – допплеровский сдвиг частоты с – скорость света. 𝑉рад = При приближении цели к РЛС частота отраженного сигнала возрастает, а при удалении от РЛС уменьшается. ЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. РАССТОЯНИЯ РЛС Для определения расстояния частотным методом используется высокочастотный сигнал с линейной частотной модуляций (ЛЧМ). Частота модуляции непрерывно меняется, значит модулирующий сигнал будет линейно возрастать. Если модуляция производится треугольным сигналом, то частота будет линейно возрастать и уменьшаться. На рис. 8а показан фрагмент высокочастотного сигнала ЛЧМ. На рис.8б показана зависимость линейной частоты сигнала ЛЧМ. Разность частот между экстремальными частотами и средней частотой fo при отсутствии модуляции называется девиацией частоты fд. Рис.8. Сигнал с линейной частотной модуляцией. На рис. 9 приведена блок-схема РЛС непрерывного излучения для определения расстояния до цели. На выходе модулятора получается ЛЧМ сигнал с симметричной модуляцией. ЛЧМ сигнал поступает на передающую антенну, а некоторая его часть поступает на смеситель. Отраженный от цели ЛЧМ сигнал принимается приемником и поступает на второй вход смесителя частоты. На вход смесителя поступают сигналы с разными мгновенными частотами, так как частота сигнала меняется по линейному закону и сигнал излученный антенной и приятый сигнал отражения не совпадают по времени, а значит не совпадают их частоты. Рис. 9. Блок схема частотного метода определения дальности Далее сигнал с выхода смесителя поступает на фильтры низких частот Ф1 – Фn. Эти частоты управляют индикаторами, на которых высвечивается расстояние до цели. Чем больше разность частот между излученным и отраженным сигналом, тем дальше находится цель. Определение расстояния до цели по разности частот поясняется рис.10. Рис. 10. Изменеие частоты ЛЧМ – сигнала. Частота излученного сигнала меняется по треугольному закону – симметричный ЛЧМ сигнал. 𝑓и = 𝑓0 ∓ 𝑓пр = 𝑓0 ∓ 2∆𝑓 Тп t 2∆𝑓 2𝐷 (𝑡 − ) Тп 𝑐 2𝐷 Измеряется 𝑓разн 4𝐷∆𝑓 = 𝑓и (𝑡) − 𝑓пр (𝑡) = 𝑐Тп Отсюда можно найти расстояние до цели 𝑓разн Тп с 4∆𝑓 максимальная однозначно определяемая дальность 𝐷= Dmax=Тпс/2 𝑐 ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИИ Импульсная и средняя мощность РЛС. В радиолокации различают среднюю за период излучения мощность РЛС обозначают как Рср.. Энергия импульса за период Ти равна: Е= Рср Ти. Однако антенна излучает не среднюю мощность, а импульс длительностью . Поэтому в радиолокации имеют дело с мощностью сигнала в импульсе. Из закона сохранения энергии: Ти 𝑃и = Рср 𝜏 На рис. приведена схема, поясняющая определение расстояния до цели импульсной или другой РЛС. Рис.11. К определению максимальной дальности. G- коэффициент усиления антенны, Рпр – мощность принимаемого сигнала, Sэфф –эффективная площадь раскрыва приемной антенны. П1 – плотность потока мощности у цели, П2 - плотность потока мощности у РЛС. Ротр – отраженная от цели мощность сигнала. Найдем плотность потока мощности у цели от антенны РЛС: Ри 𝐺 П1 = 4𝜋𝐷 2 Отраженная от цели мощность определяется как: Ротр = П1 𝜎Э где Э – эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР). ЭПР это не площадь цели (самолета, корабля и т.д), а такая гипотетическая величина, которая создает такую же отраженную плотность потока мощности у РЛС, что и реальная цель. Под ЭПР понимается такая площадь цели, которая рассеивая отраженную мощность во все стороны равномерно, создает такую же плотность потока мощности у РЛС, что и реальная цель. Зная ЭПР можно найти плотность потока мощности у РЛС по той же формуле: Ротр П1 𝜎Э П2 = = 4𝜋𝐷 2 4𝜋𝐷 2 Тогда мощность сигнала на воде приемника после антенны РЛС равна: Рпр = П2 𝑆эфф Подставляя в эту формулу все вышеприведенные величины получим Рпр = П2 𝑆эфф = П1 𝜎Э 𝑆эфф Ри 𝐺 𝜎Э 𝑆эфф Ри 𝐺𝑆эфф = = 𝜎 4𝜋𝐷 2 4𝜋𝐷 2 4𝜋𝐷 2 (4𝜋𝐷 2 )2 Э Если предельная (максимальная) чувствительность приемника равна Рпрмин=Рпр, то можно определить максимальную дальность приема отраженного сигнала в свободном пространстве: 4 Ри 𝐺𝑆эфф 𝜎Э 𝐷𝑚𝑎𝑥 = √ (4𝜋)2 Рпрмин Эта формула носит название основного уравнения радиолокации. Если в качестве излучающей и приемной антенны используется одна и та же антенна посредством переключателя антенны, то основное уравнение радиолокации будет иметь вид; 𝐷𝑚𝑎𝑥 Ри 𝐺 22𝜎Э =√ (4𝜋)3 Рпрмин 4 Таким образом, максимальное расстояние радиолокации растет с увеличением импульсной мощности передатчика РЛС, увеличением коэффициента усиления антенны, с увеличением ЭПР цели, увеличением длины волны и увеличением чувствительности приемника РЛС. Чем больше чувствительность приемника, тем меньшую мощность сигнала он принимает. Поскольку Рпрмин находится в знаменателе основного уравнения радиолокации, то с ее уменьшением растет дальность. Вид цели Транспортный самолет Истребитель Самолет по технологии Стелс ЭПР некоторых целей: Эффективная площадь рассеяния 20-50 м2 1-15 м2  0,1 м2 Определение максимально расстояния для активной радиолокации с активным ответом На рис. 16 приведен рисунок для активной радиолокации с активным оветом. Требуется определить максимальную дальность такой системы. Рис. 16. Активная радиолокация с активным ответом. Активная радиолокация с активным ответом состоит из двух линий связм: 1. Линия связи Запросчмк – Ответчик 2. Линия связи Ответчик – Запросчик. Пусть РЗи – импульсная мощность передатчика Запросчика GЗ – коэффициент усиления антенны Запросчика, Sзэфф –эффективная площадь раскрыва аниенны Запросчика, Рзпрмин – чувствительность приемника Запросчика. То же самое для Ответчика: РОи – импульсная мощность передатчика Ответчика GО – коэффициент усиления антенны Ответчика, SОэфф –эффективная площадь раскрыва аниенны Ответчика, РОпрмин – чувствительность приемника Ответчика Найдем плотность потока мощности у Ответчика от антенны Запросчика: РЗи 𝐺З ПО = 4𝜋𝐷12 Найдем мощность сигнала на входе приемника Ответчика: РЗи 𝐺З РОпр = ПО 𝑆Оэфф = 𝑆 4𝜋𝐷12 Оэфф Подставив вместоРОпр= РОпрмин РОпрмин = ПО 𝑆Оэфф = РЗи 𝐺З 𝑆 4𝜋𝐷12 𝑚𝑎𝑥 Оэфф Из последнего уравнения найдем максимальную дальность для первой линии Запросчик-Ответчик: Рзи 𝐺з 𝑆Оэфф 𝐷1.𝑚𝑎𝑥 = √ 4𝜋Рзпрмин Найдем максимальную дальность линии 2- Ответчик –Запрросчик. Найдем плотность потока мощности у Запросчика от антенны Ответчика: РОи 𝐺О ПЗ = 4𝜋𝐷22 Найдем мощность сигнала на входе приемника Запросчика: РОи 𝐺О РЗпр = ПЗ 𝑆Зэфф = 2 𝑆Зэфф 4𝜋𝐷12 Опять подставляя в правую часть значение чувствительности приемника Запросчика, имеем для максимальной дальности линии Ответчик-Запросчик РОи 𝐺О𝑆Зэфф 𝐷1.𝑚𝑎𝑥 = √ 4𝜋РОпрмин Максимальная дальность при активной радиолокации с активным ответом будет определяться меньшим из этих двух дальностей. В нашем случае это дальность 2-й линии связи. Лекция 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКА РЛС В радиолокации возможны 4 в задаче обнаружения цели: 1. Правильное обнаружение 2. Правильное необнаружение 3. Пропуск сигнала 4. Ложная тревога. 1. Правильное обнаружение: априорная вероятность наличия цели равна 1. приемник говорит отраженный сигнал есть (цель есть). 2. Правильное необнаружение: априорная вероятность отсутствия цели равна 1, приемник говорит отраженного сигнала нет. 3. Пропуск сигнала: априорная вероятность наличия цели равна 1. приемник говорит отраженного сигнала нет (цели нет). 4. Ложная тревога: априорная вероятность отсутствия цели равна 1, приемник говорит сигнал есть (цель есть). Поскольку сумма вероятностей ситуаций 1 и 3 равна 1, то обычно используют вероятность правильного обнаружения. И поскольку сумма вероятностей 2 и 4 равна 1, обычно используют вероятность ложной тревоги. Рассмотрим определение чувствительности приемника Pпр min при воздействии помехи типа «нормальный белый шум» мощностью Pn. Для сигнала с полностью известными параметрами вероятность правильного обнаружения(D) при заданной вероятности ложной тревоги (F) зависит от отношения сигнал/шум на выходе согласованного фильтра или другого оптимального приемника, q2=Ps/Pn, где Ps – энергия обнаруживаемого сигнала. В радиолокации обычно используется критерий Неймана-Пирсона, в соответствии с которым приемник должен обеспечивать получение максимального значения правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. Для определения минимального отношения сигнал/шум, при котором вероятность правильного обнаружения (ПО) еще не меньше заданной, а вероятность ложной тревоги (ЛТ) не превышает допустимого значения, используются характеристики обнаружения. Для медленно флюктуирующей цели с рэлеевским распределением амплитуды отношение сигнал/шум, вероятность ложной тревоги и 1 вероятность правильного обнаружения, связаны соотношением: D  F . По заданным вероятностям ложной тревоги и правильного обнаружения определим соотношение сигнал/шум на выходе согласованного 1 q 2 /2  log  F    1  log  D   фильтра: q 2  2  Подставляя в отношение сигнал шум можно рассчитать чувствительность приемника для обнаружения цели с заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги: Рпрмин = 2𝑃𝑛 ( log(𝐹) − 1) 𝐿𝑜𝑔(𝐷) Обычно вероятность правильного обнаружения берут равной 0,95-0,98 т.е. очень близкой к единице. А вероятность ложной тревоги очень маленькой порядка 10-4. РАССТОЯНИЕ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ ДЛЯ РЛС. Электромагнитные волны от РЛС распространяются прямолинейно поскольку РЛС работают на сантиметровых, дециметровыхи и метровых волнах. Значит РЛС обнаруживает цель в пределах прямой видимости. Если земля была идеально плоской (рис..1) , то реальная дальность обнаружения цели была бы равна теоретической. Поскольку РЛС и цель находятся в прямой видимости. Рис. 1. Плоская земля. Для сферической гладкой поверхности земли цель, находящаяся за горизонтом не будет видна для РЛС. В точке А находится РЛС, а в точке В – целью (рис.2.) Рис.2. Определение расстояния прямой видимости. Здесь h1- высота подвеса антенны РЛС, H2-высота цели над поверхностью земли, RЗ – радиус земли (6700 км) АВ- расстояние прямой видимости, которую надо найти. Из ОАС по теореме Пифагора найдем расстояние АС: AC  ( R3  h1 )2  R3  2 R3h1  h1  2R3h1 2 2 Из ОАС найдем расстояние СВ: CB  ( R3  h2 )2  R3  2R3h2  h2  2R3h2 2 2 Теперь определим расстояние прямой видимости АС+СВ, подставив известный радиус земли: 𝐷𝑚𝑎𝑥 (км) ≈ √2𝑅з (√ℎ1 + √ℎ2 ) ≈ 4,3(√ℎ1 + √ℎ2 ) здесь h1 и h2 выражены в метрах. Таким образом, расстояние прямой видимости зависит от высоты антенны РЛС и высоты цели. Это расстояние может быть намного меньше, чем теоретическое значение максимальной дальности. ТРОПОСФЕРНАЯ РЕФРАКЦИЯ РАДИОВОЛН. ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ РАДИУС ЗЕМЛИ. Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 градуса через каждые 100 м. Верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопаузой. Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера. В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара. Коэффициент преломления тропосферы уменьшается с высотой до 1. Разобьем мысленно тропосферу на тонкие сферические слои, в пределах каждого из которых коэффициент преломления будем считать неизменным. Пусть из точки А излучается волна, падающая под углом θ0 на границу раздела слоев в точке В. При переходе во второй слой происходит преломление волны, причем, если коэффициент преломления убывает с высотой, угол преломления 1 оказывается больше угла падения θ0. На границе раздела второго, третьего и всех следующих слоев также происходит преломление радиоволны. В результате этого волна движется по траектории, имеющей вид ломаной линии ABCD. Если толщину слоев уменьшить и перейти к плавному изменению коэффициента преломления, то ломаная ABCD в пределе будет стремиться к некоторой кривой. Таким образом, при прохождении волны в неоднородной среде ее траектория искривляется. Это явление носит название рефракции. Рис. 3. Рефракция радиоволны в тропосфере. Достигнув некоторой высоты луч волны повернется и пойдет обратно, так как теперь коэффициент преломления будет увеличиваться при движении радиоволны к земле. Это нормальная рефракция номер 4 на рис. 4. Рис. 4. Виды рефракции радиоволн в тропосфере. Отрицательная рефракция может наблюдаться при очень резком понижении температуры с высотой и повышении влажности воздуха -2. Если метеорологические условия таковы, что коэффициент преломления п увеличивается с высотой, траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз;в этих случаях рефракция считается отрицательной. При отсутствии атмосферной рефракции, когда п с высотой не изменяется, радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям 1. Если наблюдается уменьшение коэффициента преломления с высотой, рефракция считается положительной. При этом типе рефракции траектории радиоволн обращены выпуклостью вверх. Положительную рефракцию в свою очередь подразделяют на: - критическую 4, - нормальную 3, - сверхрефракцию 5. Критическая рефракция наблюдается тогда, когда изменение коэффициента преломления с высотой происходит так резко, что траектории радиоволн, имевшие у РЛС горизонтальное направление, превращаются в окружности, центры которых совпадают с центром Земли. В случае сверхрефракции траектория распространения радиоволн также обращена выпуклостью вверх, но радиус кривизны ее меньше радиуса Земли. В связи с этим радиолуч, выходящий под небольшим углом наклона к горизонту, испытывает полное внутреннее отражение, затем достигает поверхности Земли на некотором удалении от РЛС, опять отражается и т. д. При нормальной и критической рефракции появляется возможность обнаружения цели за горизонтом. Таким образом, цель обнаруживается на расстояниях большем чем расстояние прямой видимости. Это эквивалентно увеличению радиуса земли. Значит, увеличение расстояния обнаружения за счет рефракции можно заменить увеличением радиуса земли с прямолинейным распространением радиоволн как показано на рис.5. Рис. 5. Нормальный и эквивалентный радиус земли. Это удобно, так как, зная эквивалентный радиус земли можно легко найти расстояние прямой видимости для РЛС. Эквивалентный радиус земли рассчитывается по формулам преломления лучей, как в оптике, при составлении уравнения траектории луча (эйконала) в среде с переменным коэффициентом преломления: где R0 – радиус земли, 𝑑𝑛 𝑑ℎ - градиент коэффициента преломления. При нормальных условиях в тропосфере градиент коэффициента преломления отрицательный и равен: 𝑑𝑛 𝑑ℎ = −4 ∙ 10−7 Тогда эквивалентный радиус земли при нормальных условиях равен 8500 км. Дальность прямой видимости будет: 𝐷𝑚𝑎𝑥 (км) ≈ √2𝑅Э (√ℎ1 + √ℎ2 ) ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН В АТМОСФЕРЕ В процессе распространения электромагнитных волн в атмосфере: возникают потери энергии. Ослабление радиолокационного сигнала в атмосфере обусловлено двумя явлениями — поглощением и рассеянием. На волнах длиной более нескольких сантиметров поглощение атмосферными газами оказывается пренебрежимо' мало. Ослабление в облаках и в дожде должно учитываться во всем диапазоне волн короче 10 см. Особенно сильно это явление сказывается на волнах длиной 1 и 3 см, а также на еще более коротких волнах. Поглощение радиоволн в газах, рассеяние и ослабление их осадками и облаками влияют на требования, предъявляемые к тактическим и техническим характеристикам РЛС. Многочисленные прямые исследования и косвенные эксперименты свидетельствуют о хаотическом турбулентном перемещении в тропосфере воздушных потоков. Эти перемещения обусловлены локальным изменением температуры, влажности и давления, что эквивалентно локальному изменению коэффициента преломления. Поэтому с физической точки зрения тропосфера представляет собой среду с неоднородным значением коэффициента преломления. Радиоволна, проходя через неоднородности тропосферы, подвергается частичному рассеянию. Хорошим аналогом этого явления служит «световой столб» прожектора. Поток света прожектора, направленный в небо, благодаря рассеянию на мелких неоднородностях атмосферы виден с очень больших расстояний. Подобное явление можно наблюдать ночью над городом, когда городское освещение, преломляясь и рассеиваясь на мелких частицах пыли, создает над городом зарево. Основной причиной, обусловливающей эффект рассеяния в тропосфере, является наличие диэлектрических неоднородностей, размеры которых превышают длину волны электромагнитного колебания. Поэтому эффект тропосферного рассеяния более интенсивен в диапазоне УКВ, чем в диапазоне КВ. КОГЕРЕНТНО-ИМПУЛЬСНАЯ РЛС Возможность измерения радиальной составляющей скорости цели с помощью РЛС с непрерывным излучением обеспечивается когерентностью излученных передатчиком РЛС и принятых приемником колебаний. Измерение радиальной составляющей возможно и с помощью импульсных РЛС, если они используют когерентные импульсы. Пачка импульсов со случайными изменениями начальной фазы от импульса к импульсу называется некогерентной Когерентной называется такая пачка радиоимпульсов, в которой отсутствуют случайные изменения фазы от импульса к импульсу. когерентных импульсов путем «вырезания» из синусоидального напряжения (рис.6.). Здесь розовым цветом поакзаны когерентные радиоимпульсы, синим цветом – некогерентные. Рис. 6. Когерентные и некогерентные радиоимпульсы. Когерентные импульсные РЛС используются при различении и сопровождении движущихся целей. На рис. 7. приведена блок схема когерентно-импульсной РЛС. Рис. 7. блок схема когерентно-импульсной РЛС. Система генерирует опорные импульсы внутри РЛС. Сигналы передатчика поступают в антенну и на вход смесителя фазирования, где они смешиваются с колебаниями гетеродина приемника. На Фазовый детектор поступает также принятый сигнал промеж. частоты fпр . Фазы опорного и принятого сигналов сравниваются при каждом излучении зондирующих импульсов. В результате биений Uпр и Uоп на выходе ФД образуются видеоимпульсы, амплитуда и полярность которых зависят от разности фаз этих напряжений. Изменения амплитуды выходных сигналов ФД приводит к тому, что отметки движущихся целей пульсируют с частотой Доплера. Амплитуды отметок, образуемых неподвижными целями, не изменяются, т.к. разность фаз напряжений Uоп и Uпр от периода к периоду следования импульсов остается неизменной. Это позволяет различать отметки движущихся и неподвижных объектов. Рис.8. Отметки от неподвижных и движущихся целей. Слепой скоростью называют радиальную скорость цели, при которой сдвиг фаз между эхо-сигналами в соседних периодах имеет значение ± n · 360°. При сравнении фаз эхо-сигналов в двух или более периодах повторения (межпериодная обработка) может возникать ситуация, когда цель движется с такой радиальной скоростью, которая приводит к сдвигу фаз в 360°, то есть, фактически, к нулевой разности фаз. Такая цель не будет распознана как движущаяся и система Значения слепых скоростей: 𝑉=  2𝑇и - длина волны, Ти – период повторения импульсов. Вопросы для самопроверки: 1. Каковы основные задачи, решаемые радионавигацией и радиолокацией. 2. Назовите основные физические принципы, позволяющие использовать радиоволны для обнаружения объектов и определения их местоположения. 3. Назовите виды волн, которыми распространяются в пространстве электромагнитные колебания. 4. Каковы достоинства и недостатки метода определения расстояния в импульсной РЛС. 5. Отчего зависит максимальная и минимальная дальность РЛС? 6. Какие методы пеленгации целей используются в радиолокации? 7. Что такое пеленгационная характеристика и на что она влияет? 8. Достоинства и недостатки метода минимума определения угловых координат? 9. Достоинства и недостатки равносигнального метода определения угловых координат? 10. Что такое симметричный ЛЧМ сигнал. 11. В чем преимущество частотного измерения расстояния до цели? 12. В чем заключается смысл основного уравнения радиолокации? 13. Как зависит дальность действия РЛС от мощности передатчика, пороговой чувствительности, коэффициента усиления антенны? 14. Дать определение ЭПР. Почему ЭПР меньше чем поперечная площадь цели? 15. Как зависит дальность действия в свободном пространстве первичного радиолокатора от длины волны? 16. Что такое коэффициент усиления антенны?