УЧЕБНИК САРП100

2.2.Расчетная дальность радиолокационного наблюдения

сучетом влияния атмосферы и погодных условий

Полученные ранее выражения для дальности действия радиолокатора не учитывают затухание радиоволн в атмосфере Земли, насыщенной кислородом, парами воды, дождевыми каплями.

На рис. 2.1 и рис. 2.2 приведены графики удельного зату-

хания αз =	10lg Pпр / Pпр,атм	(в дБ/км) электромагнитной
	Dтр

энергии в атмосфере Земли в зависимости от длины волны λ и при различных метеоусловиях. Здесь Dтр (Вт) – длина трассы,

Pпр,атм (Вт) – мощность принимаемых отраженных сигналов при распространении в атмосфере.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

С помощью этих графиков можно рассчитать суммарный коэффициент затухания на однородной трассе длиной 2D, который определяется как

41

10lg	Pпр	=αз 2D .
	Pпр,атм

Переходя к натуральным логарифмам, получим:

ln

Pпр

=

2,3αз 2D

= 0,46α

з D , где D (км).

Pпр,атм

10

Далее P

= P

e−0,46αзD , где D (км). Если D (м), то

пр,атм

пр

P G

2

λ2η η

D

S

−0,46αз

P

=

и

A

э

1 2

e

1000 .

(2.9)

(4π

пр,атм

)3 D4

Основное уравнение радиолокации с учетом влияния атмо-

сферы Земли и погодных условий имеет вид:

P G

2τ

λ2η η

−0,115αз

D

Dmax = 4

и

S

e

и

A

э

1 2

1000 .

(2.10)

NщmkT0

(4π)3

Таким образом, влияние атмосферы Земли с учетом погодных условий при расчете мощности проявляется появлением

дополнительного множителя e−	0.46αзD	и множителя e−	0,115αзD
	1000		1000 –

при расчете дальности в метрах.

Трансцендентное уравнение (2.10) решается графически. При расчете дальности действия РЛС при снегопаде различной интенсивности следует принимать коэффициенты затухания при сухом снеге αс.с. = 0,3α3 и при мокром снеге αм.с. = 5α3, где α3 – затухание в дожде с учетом его интенсивности. Оценим значимость метеоусловий (сильный дождь) при

расчете дальности.

Пусть Dmax = 50км, λ = 3 см. Из графика на рис. 2.2 получим α3 = 0,4 дБ/км (сильный дождь). Тогда величина е-0,115 0,4 50

= 0,1, т. е. дальность радиолокационного наблюдения уменьшается в 10 раз по сравнению с расчетом для свободного пространства.

42

2.3. Расчет дополнительной мощности шумов на входе приемника РЛС

Расчетные выражения для мощности шумов на входе приемника вследствие переотражений от взволнованной морской поверхности PМП и гидрометеоров PГМ с учетом (2.3) имеют соответственно вид:

P G2λ2ηη

P G2

λ2ηη

2

P

=

и

A

1 2

S

S

=

и A

1

S

2,6Dα τ

=

(4π)3 D4

(4π)3 D4

Мп

М,УЂ

р

М,УЂ

г и

(2.11)

2,6P G2

λ2α τ ηη

S

=

М,УЂ ;

и A

г и

1 2

(4π)3 D3

P G2λ2ηη

P G2λ2ηη

2

и

A

1 2

и

A

1 2

PГМ =

VГМV =

VГМ 0,045D αгτиθ =

(4π)3 D4

(4π)3 D4

0,045P G2

λ2α τ

θηη V

(2.12)

=

и

A

г

и

1 2

дМ

(4π)3 D2

Впоследних двух выражениях PМП (вт), PГМ (вт), Pи (вт),

λ(м), D (м), αг (град), θ (град), τи (мкс).

Зависимость мощности шумов на входе приемника от дистанции D носит название дистанционной характеристики.

Из выражений (2.11), (2.12) следует, что мощность шумов переотражений от взволнованной морской поверхности обратно пропорциональна кубу дистанции, а от гидрометеоров – квадрату дистанции.

На малых дистанциях основное мешающее действие оказывает взволнованная поверхность моря, на больших дистанциях – гидрометеоры.

Помехами от взволнованной морской поверхности будет засвечиваться центр визуального индикатора, а от гидрометеоров – большая часть экрана.

Оценим величину мощности переотражений от поверхности моря и дождя для следующих исходных данных:

43

Pи = 20000Вт, GA = 2065, λ = 0,03м, αг =1o , θ = 20o ,

τи =1мкс, η1 η2 = 0,5 , D = 20000м, S М,УД = 6,3 10−5 ,

V ГМ=VД.УД = 5 10−5.

Получим PМП = 0,39 10-12 Вт, PГМ = 0,218 10-8 Вт.

Определим мощность полезного сигнала, отраженного от судна с водоизмещением 20000 т, для которого Sэ =103 м2.

Для наихудшего ракурса судна Sэ,min =102 м2 мощность переотраженного зондирующего сигнала на входе приемника

			P G 2			λ2η η
				S	Э,min
	P	=	и A			1 2	=1,2 10−11 Вт.
			(4π)3 D 4
	пр

Мощность собственных шумов приемника, приведенная ко входу, получим из известного соотношения

Pпр,min = NшkTo f .

Если температура приемника равна 17о С, то Т0 = 290 K. Примем Nш = 50, f=106 Гц. Тогда, учитывая, что К=1,38 10- 23Дж/град абсолютнойтемпературы, получим:

Pпр,min = 50 1,38 10-23 290 106=2 10-13 Вт.

Суммарная мощность шумов на входе приемника

PМП + PГМ

P = P

+P

+P = kT f N

+

= kT fN

.

сум пр,min

МП

ГМ

0

ш

kT

f

o

ш,сум

o

Воздействие дополнительного шума на входе приемника эквивалентно увеличению его шумового коэффициента. Суммарное значение шумового коэффициента

N ш,сум = N ш + PМП + PГМ .

kTo f

Проведенный расчет при принятых исходных данных показал, что мощность полезного сигнала на входе приемника в

44

30 раз превышает мощность переотражений от взволнованной морской поверхности и в 60 раз – мощность собственных шумов приемника.

Напротив, мощность помех в результате переотражений от дождя в 180 раз превышает мощность полезного отраженного сигнала. Это приведет к тому, что судно на удалении 20000 м не будет видно на экране РЛС.

2.4. Влияние двухлучевого распространения радиоволн на дальность радиолокационного наблюдения

Морская поверхность изменяет полученные выше данные о дальности радиолокационного наблюдения.

Как отмечалось выше, вследствие отражения электромагнитных волн от водной поверхности зондирующие сигналы достигают цели и отражаются обратно двумя путями: непосредственно прямым путем и путем отражения от водной поверхности (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Вследствие этого напряженность электромагнитного поля у цели и антенны РЛС представляет сумму полей прямой Е1 и отраженной Е2 волн и зависит от значений амплитуд и соотношения фаз этих полей, т. е. возникает интерференция сигналов.

Суммарная напряженность поля Ео у цели запишется в ви-

де

Eo = E1 + E2 = E1 + ρE1e− jα ,

45

где ρ – коэффициент ослабления амплитуды поля при отражении от водной поверхности;

α – сдвиг фазы высокочастотного заполнения зондирующих сигналов у цели.

Фазовый сдвиг α определяется двумя причинами: разностью хода лучей прямого и отраженного сигналов и скачком фазы поля при отражении энергии от водной поверхности

α = β +ϕ,

где β – сдвиг фазы из-за разности хода лучей; ϕ – скачок фазы поля Е2 при отражении.

Практически можно считать, что для горизонтальной поляризации поля при спокойной морской поверхности потеря энергии при отражении равна нулю, т. е. ρ =1, а скачок фазы

ϕ =π . Напомним, что судовые РЛС работают с горизонтальной поляризацией поля.

Тогда отношение φ суммарной напряженности поля Ео к напряженности поля прямой волны Е1 получим в виде

φ =		Eo	=1+ ρ e− jα	=1	+ ρ(cosα − j sinα)=
		E
	1
=	(1+ ρ cosα)2 =			2	+ 2cos(π + β).
Суммарная напряженность поля
		E o =E1φ = E1		2 + 2 cos(π + β).

Разность хода лучей прямого и отраженного сигналов при

D>>h1, D>>h2

d = (d1 + d2 )− dпр ≈ 2hD1h2 .

Сдвиг фаз между высокочастотным заполнением прямого Е1 и отраженного Е2 сигналов, вызванный разностью хода лучей, будет:

46

β =	2π	d =	4πh1h2	.
	λ
			λD

Суммарная напряженность поля у цели определится выражением:

Eo = E1		4πh h	2		= 2E1 sin	2πh h	2
	2 + 2 cos π +	1				1		.
		λD				λD

Суммарная плотность потока мощности у цели

2πh h

Пo = 4П1 sin2 λ1 2 ,

D

где П 1 – плотность потока мощности у цели поля прямой вол-

ны (2.1).

Соответственно суммарная мощность отраженных от цели сигналов на входе приемника с учетом отражений от водной поверхности будет:

P′			2πh h	2
	= P	4sin2	1		,	(2.13)
			λD
пр	пр

где Рпр – мощность прямых отраженных сигналов на входе приемника (2.2).

	λD >> 2πh h		, то sin2	2πh h	2		2πh h	2		2
Если		2		1		≈	1			. Тогда с
	1			λD			λD
учетом (2.4) получим

P G2

λ2ηη

(4π)4 (h h )4

P G2

ηη

4π(h h )4

′

S

S

и A э

1 2

1 2

и A э

1 2

1 2

Pпр =

=

. 2.14)

(4π)3 D4

λ4 D4

D8λ2

Ограничивая мощность на входе приемника его чувствительностью Pпр′ = Pпр,min , получим следующее выражение для

определения максимальной дальности Dmax′ радиолокационно-

47

го наблюдения с учетом влияния отражений от водной поверхности

		P G 2		η η	4π		(h h		)4
′			S					2		.
	8 и A э 1 2						1
Dmax =
				P		λ2
				пр,min

Из полученных выражений следует, что если 2πh1h2 <<1,

λD

то вследствие отражений от водной поверхности резко уменьшается мощность сигнала на входе приемника и, следовательно, уменьшается также максимальная дальность радиолокационного наблюдения.

Однако, в реальных условиях работы судовых радиолокационных станций отражение от водной поверхности зачастую может приводить к увеличению дальности действия РЛС. По-

	Pпр′		2πh h	2		2
кажем, какова будет величина		= 4sin2	1			при
	Pпр		λD

следующих исходных данных: h 1=15 м; h 2 =10 м; λ=0,03 м; D=50 103 м.

Получим Pпр′ =1,8.

Pпр

Как видим, интерференция сигналов в данном случае привела к увеличению суммарной мощности на входе приемника.

2.5. Результирующая расчетная формула для дальности радиолокационного наблюдения

Мощность принимаемых интерференционных сигналов с учетом потерь в атмосфере будет

P G 2

λ2η η

2πh h

2

D

Pпр′′ =

S

э

2

2

−0,46αз

и A

1

4sin2

1

e

1000 . (2.15)

(4π )3 D4

λD

Построив зависимость Pпр′′

= f (D) при заданных осталь-

ных параметрах,

можно

получить

результирующую

48

максимальную дальность радиолокационного наблюдения цели при требуемой мощности сигнала на входе приемника с учетом затухания сигнала в атмосфере и интерференции сигналов из-за отражений от водной поверхности.

Контрольные вопросы

1.Почему параметры GA (коэффициент направленного действия антенны) и λ (длина волны) являются более значимыми для увеличения дальности РЛС?

2.Как рассчитывается уровень собственных шумов приемника, приведенных ко входу?

3.Как влияет атмосфера Земли и метеоусловия на дальность действия РЛС?

4.Чем отличается расчетная формула для необходимой мощности передатчика и максимальной дальности РЛС для свободного пространства и с учетом влияния атмосферы Земли

иметеоусловий?

5.Что такое дистанционная характеристика?

6.Каково соотношение между помехами переотражений от взволнованной морской поверхности и от гидрометеоров?

7.Как сказывается эффект двухлучевого распространения на суммарную мощность отраженных сигналов?

49

ГЛАВА III. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И УСТРОЙСТВА СУДОВОЙ РЛС

3.1. Волноводно-фидерный тракт

Назначение различных узлов и устройств при работе РЛС

На рис. 3.1 приведена обобщенная структурная схема судовой РЛС.

Рис. 3.1

Основными узлами и устройствами РЛС являются: антенное устройство, волноводно – фидерный тракт, передающее устройство, приемное устройство, антенные переключатели и визуальный индикатор.

Особенности построения этих узлов и устройств рассматриваются в дальнейшем.

Опорный генератор совместно с синтезатором частот формирует последовательность посылок, которая управляет работой всех устройств.

Передатчик излучает на рабочей несущей частоте последовательность периодических импульсов – зондирующие сигналы.

50