- •Радиолокационные системы
- •Радиолокационные системы
- •Введение
- •1. Общая характеристика радиосистем.
- •1.1. Основные системные принципы
- •Виды радиосистем
- •1.2 Начало радиолокации
- •1.3 Радиолокация как средство наблюдения
- •Диапазоны волн, используемые в радиолокации
- •Радиолокационное наблюдение как средство решения навигационных задач
- •Оптическая локация. Активная оптическая локация
- •Акустическая локация. Общие сведения.
- •Особенности гидроакустических колебаний
- •Гидролокация. Пассивная гидролокация – шумопеленгование
- •Активная гидролокация.
- •2.Физические основы определения местоположения воздушных судов.
- •2.1. Особенности распространения радиоволн
- •Дальность действия радиолинии с активным ответом
- •2.2.Дальность действия связи
- •2.3 Дальность действия активной рлс
- •3. Методы определения местоположения воздушных объектов.
- •3.1. Методы дальнометрии
- •Частотный метод
- •Частотная радиолокация многих целей
- •Импульсный метод
- •3.2. Методы измерения угловых координат.
- •3.2.1 Одноканальное измерение угловой координаты
- •3.2.2. Методы радиопеленгации
- •3.2.3. Моноимпульсные методы измерения угловых координат
- •Обзорные фазовые пеленгаторы
- •3.3. Методы измерения высоты полета
- •Метод максимума
- •Метод наклонного луча
- •Метод парциальных диаграмм.
- •Частотное сканирование луча
- •3.4. Радиотехнические методы определения местоположения объектов
- •4. Радиолокационные системы
- •Задачи решаемые в радиолокационных системах
- •4.1.Обнаружение
- •4.1.1.Параметрические обнаружители. Обнаружение детерминированного сигнала на фоне белого шума
- •Обнаружение сигнала со случайной начальной фазой
- •Обнаружение сигнала со случайными амплитудой и начальной фазой.
- •Оптимальное обнаружение когерентной пачки радиоимпульсов
- •Оптимальное обнаружение некогерентной пачки радиоимпульсов
- •4.1.2.Непараметрические обнаружители
- •Знаковые непараметрические обнаружители
- •Ранговые непараметрические обнаружители. Одноканальные ранговые обнаружители
- •Многоканальный ранговый обнаружитель
- •Стабилизация уровня ложных тревог
- •4.1.4.Принципы автоматического обнаружения воздушных объектов
- •4.2. Измерение координат и параметров движения
- •4.2.1.Измерение дальности
- •4.2.2.Измерение азимута
- •Разрешение сигналов
- •Разрешающая способность по дальности
- •Разрешающая способность по азимуту
- •Разрешающая способность по углу места
- •Разрешающая способность по высоте
- •Разрешающий объем рлс
- •Распознавание воздушных объектов
- •Распознавание по широкополосным сигналам
- •Распознавание по многочастотным сигналам
- •Распознавание по узкополосным сигналам
- •4.5. Помехозащищенность.
- •4.5.1. Защита от пассивных помех, отражений от «местных предметов» и метеообразований.
- •4.5.1.1. Физические основы, лежащие в основе компенсации сигналов, отраженных от пассивных помех и «местных предметов»
- •4.5.1.2.Статистические характеристики пассивных помех
- •4.5.1.3. Когерентность сигналов
- •Радиолокаторы с эквивалентной внутренней когерентностью
- •Радиолокаторы с внешней когерентностью
- •Радиолокаторы с истинной внутренней когерентностью
- •4.5.1.4.Селекция сигналов движущихся целей
- •Гребенчатые фильтры накопления
- •Гребенчатые фильтры подавления
- •Принцип когерентной оптимальной обработки на видеочастоте
- •4.5.1.5.Особенности систем сдц
- •Подавитель на промежуточной частоте
- •Череспериодное вычитание
- •4.5.1.6. Формирование карты местных предметов
- •4.5.1.7 Применение систем сдц для компенсации сигналов дискретных пассивных помех
- •4.5.1.8. Компенсация сигналов дискретных пассивных помех при корреляционном анализе
- •4.5.1.9. Цифровая система селекции движущихся целей
- •4.5.1.10. Дискретно-аналоговые системы сдц
- •Устранение слепых скоростей в компенсаторе на ппз
- •4.5.1.11. Многоканальная доплеровская фильтрация
- •4.5.1.12. Некоторые методы скоростной селекции
- •4.5.1.13 Основные характеристики систем сдц Коэффициент подавления пассивной помехи
- •Коэффициент подпомеховой видимости (коэффициент улучшения)
- •4.5.2. Понятие о динамическом диапазоне сигналов и помех и необходимости их нормирования
- •4.5.2.1 Нормирование уровня длинных импульсных помех с помощью схемы шоу
- •4.5.2.2. Нормирование уровня длинных импульсных помех с помощью схемы рос
- •4.5.2.3. Нормирование уровня коротких и длинных помех с помощью схемы шоу-рос
- •4.5.2.4. Нормирование уровня импульсных помех при обработке сложных сигналов
- •4.5.2.5.Обработка сигналов в условиях воздействия несинхронных импульсных помех
- •4.5.3.Активные маскирующие помехи и принципы защиты от них
- •4.6. Виды радиосигналов принимаемых в рлс
- •4.6.1. Характеристики сигналов рлс
- •4.6.2.Функция неопределенности прямоугольного радиоимпульса
- •4.6.3. Широкополосные сигналы
- •4.6.4. Функция неопределенности фазокодоманипулированного сигнала
- •4.6.5.Функция неопределенности сигнала с линейной частотой модуляции
- •4.6.6.Обработка фкм – сигнала
- •4.6.7.Пачка когерентных радиоимпульсов
- •4.6.8. Пачка радиоимпульсов со случайными начальными фазами
- •4.7. Активные системы радиолокации
- •4.7.1. Активные системы с пассивным ответом (первичные рлс)
- •4.7.2. Структура первичной рлс
- •Первичные средства радиолокации
- •4.7.3. Активные системы с активным ответом (вторичные рлс)
- •Структура и принцип работы систем вторичной радиолокации
- •Системы подавления сигналов боковых лепестков диаграмм направленности антенн
- •Кодирование запросных и ответных сигналов. Методы кодирования запросных и ответных сигналов
- •Структура запросных сигналов
- •Структура ответных сигналов. Ответный сигнал режима увд
- •Ответный сигнал режима rbs
- •4.7.4. Дискретно–адресная система вторичной радиолокации
- •4.7.5. Система радиолокационного опознавания
- •Классификация систем радиолокационного опознавания
- •Методы кодирования и декодирования сигналов
- •Защита от влияния боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Принцип защиты ответчиков от запросных сигналов, излучаемых запросчиками в боковых направлениях
- •5. Пассивная радиолокация
- •6. Радиолокационные системы с синтезированной апертурой
- •7. Предупреждение столкновений воздушных судов
- •8.Автоматическое зависимое наблюдение
- •9.Загоризонтная радиолокация.
- •9.1.Историческая справка
- •9.2.Особенности загоризонтных радиолокаторов
- •9.3.Уравнение радиолокации
- •9.4.Потенциал радиолокационной станции
- •9.5.Методы защиты рлс от радиопомех
- •Адаптация к помеховым условиям путем выбора канала с минимальным уровнем активных помех
- •Адаптивная пространственная фильтрация активных помех
- •9.6.Принципы построения загоризонтных рлс
- •10. Пространственно-временная обработка
- •Пространственно-временная обработка
- •Объединение во времени результатов первичной обработки
- •Статистическая модель движения объекта.
- •Алгоритм вторичной обработки радиолокационной информации
- •Пространственно-некогерентное объединение обнаруженных отметок и единичных замеров при централизованной обработке.
- •Пространственно-временная обработка в бортовых рлс
- •11. Особенности эксплуатации радиолокационной системы
- •11.1. Исторические аспекты теории надежности.
- •11.2.Система качества
- •11.3. Эксплуатация и ремонт технических систем
- •Надежность технических систем при эксплуатации.
- •Эксплуатационные методы обеспечения надежности.
- •Система технического обслуживания и ремонта.
- •Методика обнаружения неисправностей
- •Метод последовательных приближений
- •Способ контрольных переключений и регулировок
- •Способ промежуточных измерений
- •Способ замены
- •Способ внешнего осмотра
- •Порядок испытаний при обнаружении неисправностей, возникающих после включения системы.
- •Литература
- •Список сокращений
9.3.Уравнение радиолокации
Уравнения радиолокации, используемые для традиционных РЛС, относятся к случаю, когда цель с эффективной площадью рассеяния σ находится на расстоянии R в пределах прямой видимости от РЛС, имеющей мощность излучения передатчика Рп, коэффициент усиления передающей антенны Gn и эффективную поверхность приемной антенны Aпр. Указанные уравнения, которые могут быть записаны в различной форме, относятся к надгоризонтной радиолокации. В этих уравнениях учтены потери мощности при распространении радиоволн от передающей антенны до цели и от цели до приемной антенны. Однако в этом случае считают, что распространение радиоволн происходит в пределах прямой видимости; отсюда рассматриваемое в уравнениях ослабление мощности при распространении считается обусловленным только сферической расходимостью радиоволн.
В случае загоризонтной радиолокации, когда цель скрыта за пределами горизонта и распространение частично по трассе происходит в ионизированном газе ионосферы, потери на трассе имеют значительно более сложный характер, чем потери за счет сферической расходимости, и обычные уравнения радиолокации оказываются непригодными.
Уравнения радиолокации можно представить для отношения мощности принимаемого от цели сигнала Рпр к мощности шума Рш, пересчитанного к входу приемника:
(9.1)
Это уравнение относится к простейшему случаю, когда прием и обработка сигналов осуществляются на фоне флуктуационных шумов и не учитывается мешающее действие пассивных помех.
Иногда уравнение радиолокации (9.1) для заданных требований на вероятностные характеристики обнаружения, вероятность правильного обнаружения и вероятность ложной тревоги представляют в виде зависимости максимальной дальности обнаружения от энергетических параметров РЛС. Для этого правую часть уравнения (9.1) приравнивают некоторому пороговому значению сигнала, при котором обеспечиваются заданные вероятностные характеристики обнаружения, и из полученного уравнения находят
(9.2)
Записанное в таком виде уравнение называют уравнением дальности радиолокации.
Для надгоризонтной радиолокации распространение радиоволн происходит по прямой, соединяющей радиолокатор и цель; при этом ослабление электромагнитной энергии учитывается множителем W= (4π) 2R4 сферической расходимости энергии в прямом и обратном направлениях. Эту величину называют также радиолокационным затуханием в свободном пространстве. В отдельных случаях в правую часть уравнения (9.3) вводят дополнительный множитель ослабления, который учитывает дополнительные потери на поглощение или рассеяние энергии в атмосфере Земли.
При загоризонтной радиолокации, когда цель скрыта за пределами горизонта и распространение происходит в пространстве Земля— ионосфера, затухание радиоволн имеет немонотонный характер и сложным образом зависит от дальности и высоты цели, характеристик ионосферы и рабочей частоты РЛС.
Рассмотрим основные физические процессы, определяющие мощность принимаемого сигнала цели при загоризонтной радиолокации, ориентируясь главным образом на получение простой интерпретации этих процессов и существенно упрощая при этом их математическое описание.
Пусть в точке 1 (рис. 9.1) на поверхности Земли находится РЛС с антеннами, обеспечивающими направленное излучение. Будем считать, что максимум азимутальной ДН антенны РЛС направлен на цель. Угломестная ДН ориентирована под низкими углами, и ее ширина такова, что включает в себя критический угол места γкр, выше которого излученная энергия пронизывает ионосферу и теряется в космическом пространстве; при γ<γкр излучаемая энергия удерживается ионосферой и далее распространятся в околоземном пространстве. Критический угол места может быть рассчитан в зависимости от параметров ионосферы и рабочей частоты РЛС по формуле
где fкp — критическая частота вертикального зондирования ионо- сферы; zm— высота максимума концентрации слоя F ионосферы; а — радиус Земли.
При выше оговоренных ограничениях можно считать что плотность потока мощности в районе цели, находящейся за горизонтом на расстоянии R и высоте z, будет пропорциональна PПGП. Такая пропорциональность от Gn может нарушаться, когда критический угол места γкр выходит из угломестной ДН антенны РЛС. Плотность потока мощности на дальности R цели с увеличением Gп при сужении ДН по углу места может при этом даже уменьшаться. Такие условия не являются характерными при нормальной работе РЛС и возникают, когда рабочая частота выбрана неоптимально, т.е. существенно ниже или выше максимально применимой частоты.
Для загоризонтиой радиолокации аналогом уравнения (9.1) в случае, когда G(γi)=G и А(γi)=А для всех i, j, является формула для отношения сигнал-шум
(9.3)
Здесь
(9.4)
Уравнение (9.3) является обобщением известного уравнения (9.1) на случаи, когда мощность принимаемого сигнала обусловлена суммой мощностей отдельных составляющих, приходящих в точку приема по разным лучам. Подобный случай характерен для загоризонтной радиолокации.
Коэффициент , входящий в (9.3), представляет собой полное радиолокационное затухание на трассе распространения радиоволн, т.е. затухание в прямом и обратном направлениях. Затухание электромагнитной энергии при распространении радиоволн от РЛС до цели W12 зависит от дальности R. Аналогичная зависимость от R будет иметь место и для затухания в обратном направлении W12, т.e. от цели до РЛС. Это определяет и харак-Л тер зависимости от дальности R суммарного радиолокационного ' затухания на трассе W.
K соотношению вида (9.3) можно прийти и из других соображений. Предположим, что РЛС облучает цель, эффективная поверхность рассеяния которой σ. Тогда мощность отраженного сигнала Рпр на входе приемного устройства РЛС можно представить в виде произведения трех сомножителей:
. (9.5)
Первый множитель ПЦ определяет плотность потока мощности, облучающей цель; произведение первого множителя на второй — плотность потока мощности отраженной волны в месте расположения приемной антенны. Умножая полученную величину на эффективную поверхность приемной антенны Апр, находим мощность отраженного сигнала, поступающего на согласованный вход приемника РЛС. Представим (9.5) в развернутом виде:
Переходя от мощности на входе приемника Рпр к отношению сигнал-шум по мощности Рпр/Рш, получаем (9.3). Соотношение (9.3) может быть использовано как для однопозиционной РЛС, так и для двухпозицнонной, в которой передающая и приемная антенны разнесены на некоторое расстояние.
Уравнение (9.3) можно рассматривать как уравнение идеального радиолокатора, в котором все параметры выбраны оптимальным образом. В реальной РЛС всегда имеются энергетические потери, связанные с несогласованностью фидерных ВЧ трактов, неоптималыюстью обработки сигналов и другими причинами. Эти энергетические потери можно учесть, вводя в (9.3) коэффициент потерь. При этом (9.3) примет вид
, (9.6)
где L — коэффициент потерь.
Преобразуем эту формулу, введя вместо отношения Pпр/Pш отношение ЭС/N0, где Эс- энергия принимаемого сигнала, а N0=PШ/ПШ(PШ — среднеквадратическая мощность шума; N0 — его спектральная плотность, т. е. мощность шума на единицу шумовой полосы Пш).
Учитывая, что за время локации цели все величины, входящие в равенство, за исключением Рп и Рпр, можно считать постоянными, проинтегрируем правую и левую части равенства в пределах длительности облучающего цель сигнала t3 и отраженного от цели принимаемого сигнала tnp, причем примем, что t3= tпр= t.Тогда, имея в виду, что
. (9.7),(9.8)
Вместо (9.8) получаем
, (9.9)
где Эс и Эи— энергии принимаемого и излучаемого сигналов соответственно.
Формула (9.9) получена для отношения сигнал-шум, особенность которого состоит в том, что оно не зависит от формы сигнал-шум, т.е. от вида огибающей и способа внутриимпульсной модуляции.