Теория и техника радиолокации и радионавигации (стр. 24 )

Вопросы для самоконтроля:

Вопрос 1. Каковы причины вторичного излучения различных радиолокационных целей?

Вопрос 2. Что характеризует поляризационная матрица рассеяния цели?

Вопрос 3. Дайте определение ЭПР цели и приведите общую формулу для ее расчета.

Вопрос 4. Почему диаграмма рассеяния уголкового отражателя значительно шире, чем плоского листа?

Вопрос 5. При каких условиях площадь поперечного сечения шара можно считать равной его ЭПР?

Вопрос 6. Что такое разрешаемый объем и разрешаемая площадь? В каких случаях их используют?

Методические рекомендации.

Изучив материал главы, ответьте на вопросы. При возникновении трудностей обратитесь к материалам для закрепления знаний в конце пособия. Для углубленного изучения воспользуйтесь литературой: основной: 1 – 3; дополнительной: 4 – 6 и повторите основные определения, приведенные в конце пособия.

ГЛАВА 8. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОСИСТЕМ

8.1. Дальность действия радиолиний

Дальность действия является одной из важнейших характеристик большинства радиосистем. Под дальностью действия понимают максимальное расстояние Dмакс, на котором принимаемый сигнал достигает минимально допустимого (порогового) уровня Рсмин, еще достаточного для выполнения системой основных функций с качественными показателями не хуже заданных.

Радиолиния с активным ответом. Радиолиния с активным ответом (рис. 4.3 а) состоит из двух радиолиний связи: линии запроса и линии ответа. Для каждой из них можно найти максимальную дальность действия по формуле

, (8.1)

, (8.2)

где G - коэффициент усиления антенн на излучение и прием, для запросчика и ответчика, соответственно;-

Pи – мощность излучения запросчиком и ответчиком соответственно;

Pс мин – чувствительность приемника запросчика и ответчика соответственно;

λi – длинна волы излучения соответственно запросчика и ответчика.

Результирующая дальность действия системы определяется радиолинией с меньшей дальностью действия. Стремятся сделать каналы запроса и ответа равнонадежными, а систему — сбалансированной, т. е. обеспечить Dз макс = Dо макс

Если в запросчике и ответчике для передачи и приема используют одну антенну, а частоты запросного и ответного сигналов близки, размеры антенн одинаковы, следовательно условие баланса системы:

Pиз / Pсз мин = Pио / Pсо мин (8.3)

Радиолиния с пассивным ответом. В этом случае ответный сигнал создается при рассеянии радиоволн облучаемым объектом с ЭПР σц, а запросчиком является передатчик РЛС или радиовысотомера. Предположим, что РЛС излучает зондирующий сигнал мощностью Ри, коэффициент усиления ее передающей антенны Gи, приемной Gп, эффективная площадь Ап = Gп λ 2и /(4π), чувствительность приемника Pс мин. При расстоянии от РЛС до цели D плотность потока мощности у цели

По определению ЭПР, вся эта мощность рассеивается целью изотропно; следовательно, плотность потока мощности у антенны РЛС на расстоянии D от цели П1 = Ри Gи / (4π D2), а мощность, перехватываемая целью P1 = П1 σц = Ри Gи σц / (4π D2) .По определению ЭПР, вся эта мощность рассеивается целью изотропно; следовательно, плотность потока мощности у антенны РЛС на расстоянии В от цели

П2 =P1 / (4π D2)= П1 σц / (4π D2)= Ри Gи σц / (4π )2 D4 ,

а мощность сигнала в антенне РЛС

Pc = П2 Ап= Ри Gи σц Ап / (4π )2 D4 = Ри Gи Gп σц λи 2 / (4π )3 D4

При увеличении дальности D мощность сигнала Рс падает, достигая порогового уровня Pс мин при

, (8.4)

Это выражение называют основным уравнением радиолокации или уравнением дальности РЛС в свободном пространстве. Оно отражает связь дальности действия РЛС с ее основными параметрами и ЭПР цели.

Параметры Pс мин и σц имеют статистический характер и зависят от многих факторов. В основном уравнении не учитываются потери при распространении сигнала, потери в антенно-фидерном и других устройствах РЛС при формировании, приеме и обработке сигнала.

8.2. Обобщенное уравнение дальности радиолокационного

наблюдения в свободном пространстве

При расчете дальности радиолокационного наблюдения определенной цели используют среднее значение ее ЭПР (σц = ), а возможные флуктуации ЭПР учитывают при выборе модели принимаемого сигнала (видом флуктуации его амплитуды и фазы). Таким образом, для определения порогового сигнала Рсмин в уравнении (6.4) нужно знать характеристики сигнала и помех, заданные значения веро­ятности правильного обнаружения рпо и вероятности ложной тревоги pлт. При этом структура и характеристики приемни­ка, устройств обработки и регистрации сигнала выбирают так, чтобы свести Рсмин к возможно низкому уровню, обеспечивающему максимальную дальность действия РЛС.

Рассчитаем Рсмин при воздействии помехи с равномер­ной спектральной плотностью N0.

Вероятность правильного обнаружения рпо и вероят­ность ложной тревоги рлт зависят от отношения сигнала к шуму на входе порогового устройства (параметра обнаружения q=Umc/σш) и выбранного порога, значение которого зависит от выбранного критерия обнаружения.

В радиолокации используют критерий Неймана-Пир­сона, в соответствии с которым оптимальный приемник должен обеспечивать получение наибольшего значения рпо при заданном значении рлт. Нахождение минимального значения q = qмин при котором рпо еще не меньше заданного (рпо)зад, а вероятность ложной тревоги pлт не превышает допустимой, осуществляют с помощью характеристик обнаружения pno=f(q), представленных на рис. 3.6.

Для импульсной РЛС с зондирующим импульсом длительностью τи и точечной цели сигнал на входе приемника также имеет длительность τи, и при мощности сигнала Рс его энергия Eс = Рс τи.

Если амплитуда напряжения сигнала Umc, то при входном сопротивлении, равном 1 Ом, энергия сигнала Ec = Umc2 τи /2. Тогда параметр обнаружения

Представив мощность порогового сигнала Рсмин, входящую в основное уравнение радиолокации (6.4), через параметр обнаружения Рсмин =qмин2 N0 /(2 τи), можно при расчете мак­симальной дальности действия РЛС непосредственно ис­пользовать характеристики обнаружения. Отклонения ха­рактеристик приемника от оптимальных учитывают путем введения коэффициента потерь Lп > 1, который показывает, во сколько раз (на сколько децибел) следует увеличить мощность сигнала в реальной системе, чтобы обеспечить заданные параметры обнаружения. Таким образом, с уче­том потерь выражение (6.4) принимает вид

, (8.5)

Уравнение дальности в этой форме называют обоб­щенным уравнением дальности или обобщенным уравнением радиолокации.

В том случае, когда источником помех являются шумы антенны мощностью РшА и собственные шумы приемника с приведенной к входу мощностью Ршп, полная мощность шумов на входе приемника

Рш = РшА + Ршп. . Если ширина полосы пропускания приемного тракта ∆f, а тем­пература антенны ТА, то

РшА = k TА ∆f, где k= 1,38 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Обычно спектральную плотность шума N0 представ­ляют через шумовую температуру Tш=TA + T0(kш - l), где kш = l + Pшn/PшА, — коэффициент шума приемника; Т0 = = 290 К. Таким образом,

Рш = k TА ∆f + k T0 ∆f (kш – l) = k ∆f[TA + T0(kш - l)] = k ∆fTш.

Считая спектр шума равномерным в полосе ∆f, N0 = РШ/∆f = = k Tш, найдем

. (8.6)

Коэффициент потерь Lп может быть представлен произведением элементарных коэффициентов потерь, учитывающих потери, вызванные затуханием сигнала в антенно-фидерном устройстве, несогласован­ностью АЧХ приемника со спектром сигнала, детектирова­нием, нестабильностью частоты гетеродина приемника, сканированием ДНА и другими причинами.

Часто уравнение (8.6) представляют в логарифмической форме и все величины, в том числе и коэффициенты потерь, подставляют в децибелах, заменяя умножение параметров их суммированием, а деление — вычитанием. Анализируя уравнение (8.6), видим, что для увеличения Dмакс, например, в два раза, нужно увеличить энергию импульса в 16 раз, что соответствует 12 дБ. То же относится и к другим парамет­рам, входящим в формулы для первой степени.

В импульсных РЛС при передаче и приеме используют одну и ту же антенну, поэтому Gи = Gп = G. В результате формула принимает вид

. (8.7)

Следовательно, увеличения Dмакс в два раза можно достигнуть путем четырехкратного увеличения коэффициента усиления антенны. Следует подчеркнуть, что расчет Dмакс для реальных условий работы РЛС представляет собой сложную задачу. Кроме рассмотренных источников потерь должны быть учтены потери при распространении сигнала, а также влияние отражений от земной поверхности.

8.3. Погрешности измерения радионавигационного параметра

Точность измерения координат и параметров движения объекта является важнейшей характеристикой радиолокационных и радионавигационных систем. Она определяется погрешностями измерений радионавигационного параметра (РНП) — параметра радиосигнала, несущего информацию о координате или скорости объекта.

В дальномерных и разностно-далъномерных системах измеряемым параметром может быть временной, частотный или фазовый сдвиг колебаний принимаемого сигнала относительно опорного, формируемого в системе. Соответственно измеряемому параметру различают импульсные, частотные и фазовые системы. В угломерных системах РНП является угол между направлением на объект и опорным направлением, а в системах измерения скорости — доплеровское смещение частоты принимаемых колебаний относительно частоты опорных.