Хомяков Толкалин 12_end_3

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

Рис. 4.2. Влияние шумов на измерение задержки (дальности)

Их величина будет зависеть от отношения сигнал/шум, а так же длительности импульсного сигнала. Подробно это будет описано ниже.

Случайные погрешности измерения дальностей σr зависят как от от-

ношения сигнал/шум, так и способа измерения времени задержки Тз отраженного сигнала от цели. Способы измерения характеризуется своим коэффициентом kиз, измерения, влияющим, в определенных пределах,

на точность. Но основными параметрами, потенциально влияющими на случайные ошибки, являются длительность импульса и отношение сигнал/шум.

На выходе идеального линейного приемника электрические шумы и отраженный импульсный сигнал складываются аддитивно. Поэтому найти максимум импульса непросто, если отношение сигнал/шум мало. На рис. 4.2 показаны возможные варианты отношений, а так же то, как может шум влиять на текущее временное положение отраженного сигнала. В случае 1 отраженный сигнал без шумов. Стало быть, можно точно определить максимум (случайная шумовая ошибка может приближаться к нулю). В варианте 2 (меньшее отношение сигнал/шум) уже

111

Дополнительные возможности

возникает стохастическая ошибка, поскольку положение выброса шума на максимуме импульса случайно. Позиция 3 иллюстрирует самый худший вариант с самым большим στ. Видно, что найти положение вершины сложно, и стохастическая ошибка становиться еще больше. Но все равно она связана с длительностью импульса. Конечно, потенциальные стохастические ошибки можно существенно снизить. Но это этот уже тема другой дисциплины: теории измерений.

4.1.3. Ошибки измерения по маркеру

Остановимся на потенциальных оценках случайных ошибках измерения по одному импульсу. Теоретически можно доказать, как зависит значение στ от отношения сигнал/шум для оптимального приемника. В

ряде теоретических работ [3] показано, что временной функцией сигнала на выходе оптимального приемника является отношение правдоподобия ξ(τ) по сигнальной ξс(τ) и шумовой ξш(τ) функций. В свою очередь, функции ξс(τ) и ξш(τ) описываются в результате интегрирования сигнальной uс(t-Tз ), шумовой uш(t) функции и переходной функции h(t) оптимального фильтра приемника. Ведь шумовой сигнал проходит тот же фильтр, что и сигнал, отраженный от цели.

ξ(τ) = ξс(τ) + ξш(τ);		c ( )		2			uc (t T3 )h(t )dt;	(4.2)
				E
					o
ш ( )	2		uш (t)h(t )dt.					(4.3)
	E

o

Найдем значение сигнальной функции в точке максимума импульса:

				2	T
			c 2 ( 0 )		uc 2 (t 0 )h(t)dt 2Ec / E0 ;	Ec u2 (t)dt
				E0
					0	0

– где Eс – полная энергия сигнала, Е0 – энергия в точке τ0

112

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

Дисперсия шумовой составляющей в точке τ0 будет равна:

2 ( ) 2 T u 2 (t )h(t)dt 2E / E

ш 0 E0 0 ш 0 ш 0

Энергии сигнала и шума в пределах длительности импульса τи будут равны: Ес = рсτи и Еш = рш τи. Отсюда:

2		( )		E			р		(4.4)
2		( )		Eш			рш
	c	0			c			с
	ш	0

В [3] показано, что στ зависит как от эффективной длительности импульса τи , так и от отношений правдоподобий ξс(τ) и ξш(τ). В точке τ0 зависимости выглядят так.

2

2

E

рс

C

C

и

/

c

;

и /

;

r

и

/

p / p

(4.5 )

2

2

c ш

Eш

рш

Подставив в (4.5) С=3х108 и τи в микросекундах получим:

r	150 и / pс / pш 85 и / pc / pш				(4.6)
	– где στ в метрах, τи в микросекундах.

Для неоптимальных приемников погрешности будут больше. Одна из формул отличается от (4.5) только коэффициентом.

r 150 и / pс / pш (4.7)

Формы (4.5, 4.6, 4.7) описывают потенциальные погрешности одно-

моментного измерения по одному импульсу, когда невозможна длительная обработка результатов измерения. В режиме автоматического сопровождения цели по дальности возможно улучшение отношения сигнал/шум и статистическая обработка результатов нескольких измерительных процедур. Это может привести к снижению погрешно-

стей. Для этого нужен аналоговый или цифровой дискриминатор и, со-

113

Дополнительные возможности

ответственно, контур аналогового или цифрового автоматического управления. Метод расчета степени снижения стохастических ошибок – свой для каждого конкретного случая. Например, для низкоскоростных наземных целей возможно существенное повышение отношения сигнал/шум за счет сужения частотной полосы фильтров в контуре управления. Для высокоскоростных целей этот прием имеет определенное ограничение, поскольку увеличиваются динамические ошибки, которые могут превысить случайные.

На рис. 4.3 показаны кривые случайных ошибок в зависимости как от длительности импульса, так и отношения сигнал/шум.

По ним можно ориентироваться при выборе длительности маркера непрерывного зондирующего сигнала с учетом возможностей дополнительной обработки информации или фильтрации.

Рис. 4.3. Ошибки поимпульсного измерения дальности

(σr м с =1)

Возможны и другие способы маркировки непрерывного синусо и- дального зондирующего сигнала. Так, в РЛС AN/PPS-15 измерение ве-

114

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

дется по передним фронтам видеоимпульса. Но в итоге замеры по длительности фронтов примерно аналогичны замерам по видеоимпульсам.

4.1.4 Дальность действия РЛС в режиме измерения

Следует отметить, что дальности действия РЛС в режиме поимпульсного измерения могут быть заметно ниже, чем в режиме поиска. Дело в том, что для измерения потребуется б ̇льшая частотная ширина филь-

тра ∆Fфиз, чем для фильтра режима обнаружения ∆Fфоб. В первом случае

∆Fфиз 1/τи, во втором для полосового доплеровского фильтра, рассчитанного на минимальную и максимальную доплеровские частоты

∆Fфоб Fдmax–Fдmin. При этом согласованная фильтрация по спектру доплеровского сигнала в режиме измерения будет невозможна. Мощности шумов, попадающих в полосы пропускания фильтров режима измерения, могут во много раз превышать те, что попадают в согласованные фильтры в режиме обнаружения доплеровского сигнала. В соответствии с уравнением радиолокации, потери дальности действия в режиме измерения Rиз относительно режима поиска и обнаружения целей

Rоб могут быть рассчитаны так:

					с	рс р
√р		[(			)	р ]				(4.8)
								√
	р	[(			)	с		]
	и		√		и					(4.9)
		и

– где (4.8) – уравнение радиолокации, Осш2– отношение сигнал/шум по мощностям, – спектральная плотность шумов, Е – энергетический параметр, рп – текущая мощность передатчика, рш – мощность шумов на выходе фильтров, ои – отношение дальности действия при обнару-

жении к дальности при измерении координаты цели.

115

Дополнительные возможности

На рис. 4.4 построены кривые, по которым можно судить о потерях дальности действия в режиме измерения дальности по импульсу маркера. Первая кривая для полосы доплеровского фильтра ∆Fфд=∆Fд=0.2

кГц.

Но здесь стоит вспомнить о том, о чем писалось выше по части

накопления информации и дополнительной фильтрации в контуре а в- томатического сопровождения цели по дальности. Разница в дальностях действия в рассмотренных режимах может быть существенно нивелирована за счет когерентного или последетекторного накопле-

ния. Амплитудный маркер может быть применен в когерентных РЛС и при наличии пассивных помех. Тогда импульс будет модулирован частотой огибающей, связанной с движением цели, как в импульсных радарах. Способы борьбы с пассивными помехами известны. Кроме того, амплитудный маркер может быть заменен на фазовый длительностью τи. Передатчик не выключают, а производят поворот начальной фазы зондирующего сигнала на π.

Конечно, в режиме измерения дальности можно было бы перейти в импульсный режим работы, резко увеличив мощность СВЧ в импульсе. Но, к сожалению, твердотельные СВЧ приборы, применяемые для ге-

нерации непрерывного излучения, не могут работать в импульсном режиме с высокой мощностью, как, например магнетроны.

4.1.5. Сокращение времени выхода в эфир

Мощность излучения РЛС непрерывного излучения на порядки меньше, чем импульсных. Поэтому это может вызвать определенные проблемы для систем обнаружения СВЧ излучения, например, извес т- ных среди автолюбителей, «антирадаров».

116

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

Рис. 4.4. Снижение дальности действия при поимпульсном измере-

нии по маркеру

Исследования многих фирм по повышению дальности действия ан-

тирадаров, позволили обнаруживать полицейских с радарами намного раньше, чем те успевали замерить скорость движения автомобилей. Простейшие массовые антирадары принимали слабые сигналы РЛС на свою антенну и сразу детектировали СВЧ амплитудным детектором. А чтобы выйти из линейной зоны детекторов, модулировали процесс де-

тектирования длинными импульсами. Потом сигнал усиливался, еще раз детектировался и накапливался несколько секунд на RC цепочке. За счет длительного накопления обнаруживалась засада полицейских с радарами типа «Барьер», «Сокол-М» на расстоянии до километра. А применение в антирадарах супергетеродинных приемников с нулевой промежуточной частотой увеличили их дальность действия еще боль-

ше. Эффективность работы полицейских снижалась. Тогда были разработаны более совершенные радары с повышенной скрытностью. Одним из простых и дешевых методов повышения скрытности РЛС стал крат-

117

Дополнительные возможности

ковременный выход в эфир. По замыслу разработчиков новых полицейских радаров, при кратковременном выходе РЛС в эфир, сигнал в простом антирадаре не успевал накапливаться. При этом дальность действия массовых антирадаров снижалась в разы, и они становились бесполезными.

Основная проблема существенного сокращения времени выхода в эфир является измерение скорости автомобиля. Для точного измерения нужно принять определенное количество синусоид доплеровских ча-

стот, просчитать их количество Nд и пересчитать в скорость в км/час. И чем больше Nд, тем точнее пройдет измерение (рис. 4.5, 4.6).

Естественно, при кратковременном выходе в эфир число синусоид частот Доплера могло быть недостаточно для точного измерения. Из рис. 4.5 видно, что даже одной секунды не хватит для точного измере-

ния скорости автомобиля 5 км/час. Каков выход? Одним из них – переход в более высокочастотный диапазон радиоволн, где частоты Доплера могут быть в разы выше.

На рис. 4.6 дана графическая поверхность, аналогичная рис. 2.5, но построенная для частоты 30 МГц.

Сравнивая рис. 4.5 и 4.6 отмечаем существенное увеличение числа синусоид за 1 секунду для скоростей менее 10 км/час. Это значит, что можно сократить продолжительность выхода до долей секунды и снизить темп выхода в эфир. Тогда дешевые массовые антирадары просто перестанут фиксировать наличие полицейских радаров на дальностях,

превышающих их дальности действия.

Большинство новых полицейских радаров уже работает в К, Ка диапазонах с кратковременным периодическим выходом в эфир. Такой режим у специалистов по полицейским радарам принято называть импульсным, а точнее – квазиимпульсным. Хотя это и не совсем тот ре-

жим, который используется в классических импульсных РЛС. Там дли-

118

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

тельность зондирующего импульса лежит в пределах от долей до нескольких микросекунд. Однако известны перспективные классические импульсные РЛС, которые создаются, как полицейские комплексы ре-

гулирования дорожного движения («Стрелка–С»).

Рис. 4.5. Кратковременный выхода в эфир на 10 МГц

Рис. 4.6. Кратковременный выход в эфир на 30 ГГц

119

Дополнительные возможности

Эти комплексы достаточно дорогие для массового применения. Они работают там, где необходима и обеспечена автоматизация процессов выявления нарушителей движения в потоках, их аттестации и занесе-

ние в базу данных.

Выводы к разделу 4.1:

1.Одноантенные РЛС непрерывного излучения гармонического сигнала могут напрямую измерять дальность до цели, если зондирующий сигнал помечен маркером.

2.При измерении дальности по маркеру возникает стохастическая погрешность, зависящая от длины маркера и отношения сигнал/шум.

3.Дальность действия радара в режим е измерения по маркеру может существенно снижаться.

4.Разведка СВЧ излучения РЛС затрудняется при кратковременном выходе в эфир. Возможности повышения скрытности работы зависят от рабочего диапазона радиоволн.

Контрольные вопросы к разделу 4.1:

1.Как измерить дальность до цели одноантенной РЛС непрерывного излучения?

2.От чего зависит случайная погрешность измерения дальности по

п. 1.

3.Что происходит с дальностью действия РЛС в режиме измерения дальности до цели?

4.Каким способом повысить скрытность работы радара от средств разведки?

4.2.Селекция движущихся целей

4.2.1.Назначение и принцип действия систем СДЦ

Впроцессе поиска цели на вход приемника поступают не только полезные сигналы, но и сигналы, отраженные от земной поверхности, до-

мов, столбов. Эти вредные сигналы называются пассивными помехами.

120