Энергетические соотношения в радиолокации. Дальность действия беззапросной РЛС

 














Реферат

Энергетические соотношения в радиолокации. Дальность действия беззапросной РЛС




Пусть передатчик мощностью Рпрд с коэффициентом усиления его антенны GПРД облучает приемник с эффективной площадью антенны SэфПРМ, удаленный тот него на расстояние R.

Плотность мощности излучения у приемника ПR [Вт/м2] определяется отношением мощности PПРД к площади поверхности сферы радиуса R, которое должно быть увеличено в GПРД раз


,


где h - коэффициент потерь в среде распространения.

Мощность на входе приемника:


.


Используя соотношение ,

где GПРМ - коэффициент усиления антенны ПРМ, получаем:



Отсюда получаем максимальную дальность действия радиолинии:


,


где L=3...10 - коэффициент запаса на неучитываемые факторы;

PПРМmin=rminkTSDfш - реальная чувствительность ПРМ.

rmin - минимально допустимое превышение сигнала над шумом по мощности.

Dfш - шумовая полоса ПРМ

k - постоянная Больцмана

TS - суммарная шумовая температура на входе ПРМ, которое складывается из следующих составляющих:


TS= TА+TГАЛ+TS+TРЗ+TАТМ+TЗ+TТР+TПРМ ,


где TА - собственная шумовая температура входного сопротивления антенны,

TГАЛ, TS, TРЗ, TАТМ, TЗ - шумовые антенные температуры галактики, ярких радиозвезд, атмосферы, Земли,

TТР, TПРМ - пересчитанные к антенне эквивалентные шумовые температуры фидерного тракта и ПРМ.


Что такое шумовая температура?


Под шумовой температурой любого внешнего источника шумов понимается температура сопротивления, равного входному сопротивлению антенны, при котором мощность шума от внешнего источника и шума сопротивления одинаковы.

Подставив в уравнение дальности, получим:



Обычно, для оптимального фильтра Dfш@d/TH,

где TH - время приема элементарного сигнала,

d - коэффициент порядка 1.

С учетом этого


, (а)


где ЭПРДПРДТН - энергия сигнала, излученного ПРД.

Таким образом, при оптимальной фильтрации дальность действия радиолинии определяется энергией сигнала и не зависит от его формы. ( в частности, от того, излучается ли эта энергия непрерывно или короткими импульсами).

Выражение для дальности можно записать в несколько ином виде:


. (б)


Получим дальность действия обратно пропорциональную длине волны (в первом случае - прямопропорциональна).

Правильны оба утверждения, но каждое соответствует различным исходным данным. Так, если, например, на борту ЛА жестко ограничены и заданы площади антенны, надо использовать выражение (б), при этом уменьшение l приводит к увеличению коэффициента усиления антенны и, соответственно, предельной дальности. Если жестко заданы коэффициенты усиления антенн, а их габариты неограничены, надо использовать формулу (а) и, согласно выражению



для поддержания постоянного коэффициента усиления антенн увеличение l должно приводить к увеличению площади антенн и, соответственно, предельной дальности радиолинии.


Энергетический потенциал РЛС


Часто энергетику РЛС удобно характеризовать безотносительно к виду и объему принимаемой информации. Для этого введено понятие энергетического потенциала радиолинии Н, равного отношению минимально допустимой мощности принимаемого сигнала РПРМmin к спектральной плотности мощности шумов N0=kTS:



Т.к. мощность шума Рш=N0Dfш, то


.


Пример. Задан энергетический потенциал Н=107 Гц. Если задано rmin³102, то мы можем заключить, что ширина спектра принимаемого по данной радиолинии сигнала не должна превышать Dfш=Н/rmin=105 Гц. Если же необходим прием сигнала с шириной спектра Dfc=106 Гц, то мы заключаем, что в данной радиолинии будет rmin£H/Dfс@10, т.к. Dfш³Dfc.

Замечание. Корректное определение rmin требует использование статистических методов. То же относится к коэффициенту потерь в среде - h и к эффективной площади рассеивания цели.


Дальность действия РЛС при локации точечного объекта


Точечным принято называть удаленный объект, размеры которого малы по сравнению с разрешаемыми радиолокатором. Основная трудность оценки энергетики такой радиолинии связано с трудностью определения плотности мощности радиоволн, отраженных точечным объектом обратно к радиолокатору. Причиной этому является крайне сложная многолепестковая диаграмма обратного рассеяния объектов. Часто достаточно изменение их углового положения на малые доли градуса, чтобы мощность, отраженная или в направлении на РЛС, изменилась в десятки или сотни раз.

Для преодоления этой трудности была введена специальная характеристика - эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР) - Sэфц - это площадь такого изотропного рассеивающего отражателя, который в среднем отражает на РЛС такую же мощность, что и данная цель.

Эта характеристика определяется для каждого вида цели осреднением результатов многочисленных экспериментов.

ЭПР истребителя, например, составляет (1..5) м2, бомбардировщика - (5..20) м2, дальнего бомбардировщика - (10..50) м2, крылатой ракеты - (0.3..0.8) м2, головки баллистической ракеты (1..0.1) м2.

Если ПРД мощностью РПРД с коэффициентом усиления его антенны GПРД облучает цель с ЭПР Sэфц, удаленную от него на расстоянии R, то по аналогии с рассмотренными ранее соотношениями Рц радиоволн, отражаемых целью


.


Т.к. Sэфц характеризует изотропно рассеивающий отражатель, то Gц=1. Следовательно, мощность отраженного целью сигнала на входе ПРМ радиолокатора будет

.


Таким образом, в отличие от ранее рассмотренных радиолиний, энергетика радиолокационной линии убывает не со второй, а с четвертой степенью расстояния.

В связи с этим, именно радиолокационные задачи стимулировали первые революционные изменения в методах генерации и излучения сверхмощных СВЧ колебаний и методов приема слабых сигналов.

Максимальная дальность действия РЛС определяется следующим образом:


-

-это есть основное уравнение радиолокации.


Дальность действия РЛС при локации протяженной цели


При локации протяженной цели основные зависимости существенно иные. Радиолокационное отражение от материковой и океанической поверхности столь сложны, что невозможно построение каких-либо математических моделей. Основным источником качественной информации являются результаты лабораторных и летных экспериментов.

Наиболее полную информацию о закономерностях отражения от поверхностей дают электромеханические модели. Однако, это очень сложно. Наиболее простая модель - это большое число случайно расположенных точечных отражателей. Отражатели взаимно независимы. Это определяется тем, что разности расстояний от фазового центра антенны РЛС до отдельных отражений много больше длины волны.

Т.к. для фазы отраженных сигналов взаимно независимы, то они суммируются по плотности, образуя среднюю мощность отражателя, пропорциональную числу отражателей или поверхности Sпл, облучаемой радиолокатором. Однако, эта мощность, кроме размеров облучаемого участка зависит от целого ряда параметров (l, D - ширины ДН, направления луча, поляризации волн и т.д.), а также от параметров земной поверхности (проводимости, диэлектрической проницаемости, шероховатости, и т.д.).

Поэтому для интегральной характеристики влияния основной части этих параметров введен коэффициент рассеяния s0, который характеризует эффективность ЭПР - единицы отражающей поверхности. Следует отметить, что s0 дает удовлетворительные результаты, если поверхность однородна, т.е. нет интенсивно отражающих объектов.

При узких ДН антенны считают s0=const, тогда sпл=s0Sпл.


Непрерывное излучение


Основные геометрические соотношения для этого режима представлены на рисунке:



Мощность сигнала на входе РЛС определяется формулой:


В отличие от точечной цели здесь при заданной ширине луча эффективная поверхность рассеяния sпл зависит от расстояния до поверхности. Используя зависимость sпл=s0Sпл, обозначим единым коэффициентом все неизменяемые параметры радиолокатора и поверхности



и определим Sпл=f(R).

В общем случае наклонного облучения поверхности с расстояния R под углом b0 с широкой ДН в плоскости полета Db, а в нормальной к ней плоскости Da, облучаемая площадь будет иметь форму эллипса с большой осью d и малой b.

Из рисунка ясно, что d=RDb/sinb0; b=RDa.

Площадь эллипса пропорциональна квадрату расстояния


,

где .


Отсюда .

В отличие от точечной цели мощность отраженного поверхностью непрерывного сигнала на входе РЛ ПРМ убывает второй степенью расстояния.


Импульсное излучение


При тех же (что и в предыдущем примере) параметрах радиолокатора и поверхности, ПРД излучает радиоволны короткими прямоугольными импульсами длительностью tи с периодом повторения Тп, а ПРМ для защиты от мешающих сигналов отпирается в момент прихода отраженного сигнала стробирующим импульсом, длительность которого tс равна или превышает tи.

Основные геометрические соотношения приведены на рисунке:



Излучение ПРД распространяется короткими импульсными пакетами, толщиной сtи » сtс , разделенные интервалами сТп (с - скорость распространения радиоволн).

Рассмотрим 3 случая:

. - короткие импульсы с большой скважностью Тп/tи. Импульс, пересекая своим осевым сечением поверхность, облучает прямоугольную площадку шириной a¢, где а¢tс/cosb0¹j(R).

Облучаемая поверхность при этом пропорциональна первой степени расстояния


, где


Следовательно, ,

т.е. типовой импульсный режим излучен ия энергетически менее выгоден, чем непрерывный.

. - короткие импульсы с малой скважностью. При этом две или несколько соседних импульсных пакетов будут одновременно облучать отражающую площадку и возникнет опасность неоднозначного определения дальности в результате приема соседнего импульса с ошибкой по дальности сТп.

. - длинные импульсы. В этом случае импульсный пакет перекрывает всю площадь эллипса, и поэтому энергетика радиолинии будет такой же, как при непрерывном излучении, т.е.

Таким образом, лишь при длинных импульсах энергетика импульсного радиолокатора сравнивается с энергетикой непрерывного.

энергетический радиолокационный станция шум

Дальность действия запросно-ответной РЛС наблюдения


Будем считать, что на объекте, за которым ведется наблюдение, установлен ответчик. Он принимает сигналы РЛС и примерно на той же частоте излучает ответные сигналы. Однако при этом в ответчике для передачи и приема используется одна и та же антенна. Мощность сигнала РЛС на входе ПРМ:

где R - расстояние между РЛС и ответчиком

PS -мощность излучения РЛС (РПРД)

G - КНД антенны РЛС

S - эффективная площадь антенны ответвителя

Выражая S¢эф через G это соотношение можно представить в виде

Аналогично определяется мощность принимаемого сигнала

где РSотв - мощность сигнала, излучаемая ответчиком.

Дальность действия РЛС с активным ответом определяется дальностью связи как по линии «РЛС - ответчик», так и по линии «ответчик - РЛС». Если чувствительность приемника ответчика РПРМотвmin, то дальность действия по линии «РЛС - ответчик»

Дальность действия по линии «ответчик - РЛС»

где РПРМmin - чувствительность приемника РЛС.

При R>R1max сигналы РЛС не смогут запустить передатчик ответчика, а в случае R>R2max ответный сигнал не будет выделен оконечным устройством на фоне флуктуирующих шумов.

При проектировании РЛС с активным ответом целесообразно добиваться равенства дальности по обеим линиям связи, т.е. R1max=R2max=Rmax. Это соотношение позволяет определить следующее: РSРПРМminSотвРПРМотвmin.

Это соотношение позволяет правильно выбрать мощность передатчика и чувствительность ПРМ.

В случаях, когда это условие не выполняется, дальность действия РЛС с активным ответом определяется наименьшей дальностью. На практике дальность по каналу связи «ответчик РЛС» бывает несколько большей, поскольку ПРМ РЛС, работающие в стационарных условиях имеют лучшие характеристики, чем ПРМ ответчиков, устанавливаемых на подвижных объектах.


Влияние отражения ЭМВ от поверхности Земли на дальность радиолокационного наблюдения


При выводе предыдущих соотношений мы пренебрегали влиянием Земли. Излучение и прием ЭМВ антенной РЛС происходит в некотором телесном угле. Поэтому вследствие отражения волн от поверхности Земли, появляется дополнительный путь для распространения ЭМВ от РЛС до цели и обратно. Благодаря этому напряженность электромагнитного поля в точке приема будет определяться суммой векторной напряженности прямой волны и волны отраженной от поверхности Земли.

Напряженность электрического поля прямой волны и отличаются по амплитуде и фазе. Это отличие обусловлено:

влиянием ДН антенны. Которая имеет различные коэффициенты усиления в направлении на цель и точку отражения от земной поверхности;

изменением амплитуды и фазы волны при отражении от земной поверхности;

геометрической разностью хода прямой и отраженной волны:



Если поверхность Земли, на которую падает ЭМВ, гладкая (высота шероховатостей мала по сравнению с длиной волны), то происходит зеркальное отражение. При этом отраженный луч лежит в плоскости падающего луча и нормали к отражающей поверхности в точке падения, а угол падения равен углу отражения.

Высота неровностей, при которых поверхность можно считать гладкой, равна:

; где - угол скольжения,

т. е, чем больше длина волны и меньше угол скольжения, тем больше допустимые неровности земной поверхности.

- результирующая напряженность поля


; ;


- напряженность поля, создаваемая в точке цели ненаправленной антенной;

и - значения КНД в соответствующих направлениях;

- модуль и фаза коэффициента отражения;

- сдвиг по фазе между прямым и отраженным лучами;

С учетом приведенных соотношений можно записать для результирующего поля:


,


где - обобщенный коэффициент отражения (модуль).

показывает, во сколько раз амплитуда отраженной волны отличается от амплитуды падающей. При этом учитывает не только отражающие свойства поверхности, но и влияние ДН антенны.

Амплитудное значение напряженности электрического поля определим, умножив на комплексно сопряженною :


Отсюда напряженность результирующего поля:


, или ,


где

Переходя от эффективных значений напряженности к плотности потока мощности, получим:


,


где

- плотность потока мощности, излучаемой РЛС.

Выражение для интерференционного множителя в зависимости от угла может меняться в пределах от до .

Таким образом, вследствие отражения от Земли, результирующая характеристика излучения и приема даже ненаправленной антенны имеет лепестковый характер. Благодаря этому, дальность радиолокационного наблюдения в зависимости от угла места цели, будет меняться от до . В качестве иллюстрации рассмотрим следующий пример.

В вертикальной плоскости антенна ненаправленна, т.е. (см. рисунок). Поляризация излучаемых ЭМВ горизонтальная и, следовательно, при любых углах места модуль коэффициента отражения , аргумент. В этом случае , . Дальность действия РЛС (дальность радиолокационного наблюдения) в определенных направлениях возрастает в два раза по сравнению с. Наряду с этим имеется и отрицательный эффект, заключающийся в том, что мощность сигналов, поступающих в приемник, резко меняется с изменением положения цели и появляются направления, в которых наблюдение за целью прекращается.



Экстремальные значения углов места цели можно определить путем дифференцирования интерференционного множителя


, .


Угол наклона первого лепестка (малый угол места) : .

Приближаясь к РЛС на любой высоте полета, цель проходит зону, в которой она наблюдается под малыми углами места. Если угол места цели , т.е. направление на цель ниже первого лепестка, то определение сигналов будет затруднено. Для улучшения условий обнаружения необходимо увеличить высоту подъема антенны. Благодаря этому первый лепесток прижимается к Земле, и условия обнаружения улучшаются. Число лепестков результирующей ДН определяется из условия

(значение углов от 0 до).


Если антенна РЛС обладает направленностью в вертикальной плоскости, поляризация ЭМВ горизонтальная. В этом случае <1,, а обобщенный коэффициент отражения для всех случаев, когда угол наклона максимума ДН >0


, следовательно


и ,

ДН лепестковая, но провалы не до ноля, и нет удвоения.

Если цель летит на постоянной высоте, то по мере приближения она занимает последовательно положение, соответствующее максимумам и провалам. Мощность приемника будет меняться в зависимости от дальности. В некоторых интервалах дальности величина упадет ниже порогового значения, и нормальное наблюдение за целью будет нарушено. Количество зон зависит от числа лепестков, которое определяется соотношением и . Чем меньше и больше , тем больше лепестков. На более длинных волнах, особенно метровых, число лепестков мало, а провалы настолько велики, что может быть нарушено наблюдение за целью.


При вертикальной поляризации картина аналогичная, но лепестки ДН располагаются несколько выше, чем при горизонтальной. Это затрудняет обнаружение низколетящих целей.

Основной практический интерес представляет 1-й лепесток ДН, так как дальность действия удваивается. Следовательно, необходимо обеспечить его формирование. Для этого выравнивают площадку вокруг станции, чтобы обеспечить зеркальное отражение.


Дальность обнаружения низколетящих целей


Низколетящими принято называть цели, линия визирования которых лежит ниже максимума первого лепестка. В этой области вследствие интерференции прямой и отраженной волн происходит заметное ослабление напряженности результирующего поля, что приводит к резкому сокращению дальности радиолокационного наблюдения.

Положим, что антенна ненаправленная и находится в вертикальном положении. Для низколетящих целей и, следовательно, для случая, когда имеем



Считая, что , получим


, отсюда

, т.е.


Мощность принимаемого от низколетящих целей сигнала обратнопропорциональна восьмой степени расстояния.

Можно определить границу зоны, где цель можно считать низколетящей:



Чем выше антенна, чем короче длина волны РЛС, тем раньше будет обнаружена цель. И наоборот, если необходимо незаметно приблизиться к РЛС, нужно лететь на низкой высоте.



Литература


1.Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 528 с., ил.

.Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 440 с., ил.

.Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

.Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 1996 г.

5.Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 1997 г.


Реферат Энергетические соотношения в радиолокации. Дальность действия беззапросной РЛС Пус

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ