2.4. Зона обнаружения целей в рлс метрового диапазона волн

В РТВ ВВС используются РЛС различного целевого назначения, работающие в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Выбор того или иного диапазона волн основывается на возможности обеспечения в нем требуемых характеристик РЛС.

Необходимость получения в РЛС боевого режима высокой точности измерения угловых координат и разрешающей способности по угловым координатам обусловили использование в них сантиметрового и коротковолновой части дециметрового диапазонов волн.

В РЛС дежурного режима используется метровый диапазон волн, который обладает рядом достоинств, способствующих успешному решению задач РЛС данного класса.

1. В метровом диапазоне волн могут быть обеспечены, при прочих равных условиях, значительно большие дальность и потолок обнаружения целей, особенно малоразмерных. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

среднее значение ЭПР аэродинамических целей в метровом диапазоне волн больше чем в сантиметровом и дециметровом (см. табл. 1.1). Это особенно характерно для малоразмерных целей;

формирование ДНА РЛС в метровом диапазоне волн в вертикальной плоскости происходит с участием земной поверхности. Интерференция прямой и отраженной волн приводит к усилению электромагнитного поля в отдельных угломестных направлениях практически в двое и ослаблению почти до нуля - в других. При правильном выборе параметров антенной системы и высоты ее установки над поверхностью земли усиление поля будет происходить под не большими углами места. Это позволяет почти вдвое увеличить дальность обнаружения целей , летящих на средних и больших высотах;

в метровом диапазоне волн меньше потери на поглощение и рассеяние электромагнитной энергии при ее распространении, что особенно важно для РЛС дальнего обнаружения.

СТР 29

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. В метровом диапазоне характеристика вторичного излучения воздушного объекта менее изрезана и, следовательно, меньше флюктуации амплитуды отраженных сигналов , чем в сантиметровом диапазоне волн. Поэтому вероятность обнаружения целей в границах зоны обнаружения РЛС метрового диапазона в меньшей степени зависит от дальности.

3. В указанном диапазоне волн практически не наблюдаются отражения от гидрометров (туманов, дождя и т.п.). Это объясняется характером зависимости ЭПР тел шарообразной формы от отношения радиуса шара к длине волны . При ЭПР шара (в частности капель) ничтожно мала.

4. ФЛС метрового диапазона волн обладают лучшей защищенностью от пассивных помех. Это объясняется, во-первых, тем, что данном диапазоне меньше ширина спектра флюктуаций пассивных помех:

где - разброс значений радиальных составляющих скоростей отражателей в импульсном объеме РЛС.

Во- вторых, в метровом диапазоне волн больше интервал между соседними значениями «слепых» скоростей:

где - частота повторения зондирующих сигналов РЛС. Поэтому число «слепых» скоростей в диапазоне возможных скоростей целей не велико:

В-третьих, абсолютная стабильность частоты передающих устройств в метровом диапазоне волн выше, чем в сантиметровом , что позволяет формировать зондирующие сигналы с высокой степенью погрешности.

5. РЛС метрового диапазона волн менее уязвимы для самонаводящихся на излучение снарядов, так как в этом диапазоне волн достаточно сложно обеспечить требуемую точность наведения ракет из-за ограниченных размеров бортовых антенных систем.

СТР 30

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Однако имеется и ряд ограничений возникающих при использовании метрового диапазона волн. Наибольшую трудность вызывает обеспечение требуемых точностных характеристик и разрешающих способностей по угловым координатам. Даже при не высоких требованиях к этим характеристикам в РЛС дежурного режима антенные системы в метровом диапазоне волн имеют большие размеры.

Громоздкость антенных систем ухудшает устойчивость РЛС к огневому воздействию, снижает мобильность, затрудняет эксплуатацию в сложных климатических условиях.

Влияние подстилающей поверхности на формирование ДНА требует для размещения РЛС на позиции ровной площадки радиусом 1,5…2км что в реальных условиях не всегда выполнимо! При размещении РЛС на позициях в горной или резкопересеченной местности ДНА РЛС сильно искажается, что ведет к уменьшению дальности обнаружения, появлению провалов в ДНА и снижению верхней границы зоны обнаружения. В значительной степени влияет характер подстилающей поверхности на точность измерения высоты в трех координатных РЛС метрового диапазона волн.

Требование рационального распределения энергии в угломестной плоскости приводит к необходимости формирования косекансной формы ДНА для обзорных РЛС. В метровом диапазоне волн, используемом в РЛС дежурного режима, сформировать ДНА косекансного типа затруднительно.

Во-первых, в метровом диапазоне волн сложно создать одновременно узкую ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для этого антенная система РЛС должна иметь большие (до нескольких десятков метров) размеры раскрыва в обеих плоскостях. Поэтому, как правило, на излучение формируют не веер лучей, а одну широкую в вертикальной плоскости ДНА, далекую от косекансной формы из-за влияния земли и ограниченных размеров антенны в вертикальной плоскости. Форма ДНА на прием зависит от количества измеряемых

СТР 31

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

координат целей. В двухкоординатных РЛС используется одна антенна на передачу и прием и соответственно ДН одинакова на излучение и прием. В трехкоординатных РЛС ДНА на прием угломестного канала формируется в виде либо быстросканирующего узкого луча в вертикальной плоскости, либо в виде веера лучей. Но и в том и другом случае ширина ДНА угломестного канала на прием в горизонтальной плоскости значительно больше, чем на излучение (рис. 2.11, а, б). При таком построении обеспечивается формирование требуемой ДНА при приемлемых массогабаритных характеристиках антенной системы, представляющей собой две антенны примерно одинакового размера с различной ориентацией (рис. 2.11,а).

Рис. 2.11 Формирование ДНА в трехкоординатных РЛС метрового диапазона волн: а) узкий быстросканирующий луч на прием в вертикальной плокости; б) ДН в виде веера лучей в вертикальной плоскости.

Во-вторых, в формировании ДНА принимает участие поверхность земли, поэтому позиуия РЛС должна удовлетворять определенным требованиям. Размеры ровной площадки должны быть не меньше области, существенной для отражения радиоволн и определяемой, в основном, первой зоной Френеля. На практике радиус ровной площадки определяется соотношением

,

где - высота электрического центра антенны над поверхностью земли. Допустимая величина неровной площадки определяется критериями Релея

,

где - угол падения электромагнитной энергии.

СТР 32

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Рассмотрим влияние земли на формирование ДНА в РЛС метрового диапазона волн. Для простоты будем считать поверхность земли плоской.

Антенна, электрический центр который поднят над землей на высоту , формирует широкую в вертикальной плоскости ДН, максимум который направлен под углом к линии горизонта (рис.2.12).

Рис.2.12 Формирование ДНА при участии земной поверхности

Напряженность электромагнитного поля прямой и отраженной волн, переходящих в любую удаленную точку (точка А для нашего случая) под углом места к линии горизонта, может быть записана в виде:

где - напряженность поля, которая была бы в точке А при угле (т.е максимум ДНА направлен под углом );

- нормированная ДНА в вертикальной плоскости);

СТР 33

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

- угловое направление отраженной волны относительно углового направления максимума ДНА;

- соответственно модуль и аргумент коэффициента отражения от земной поверхности (коэффициент Френеля);

- сдвиг фаз между прямой и отраженной волнами в точке А , обусловленный разностью их хода до точки А.

Сделаем допущение, что прямой и отраженный лучи в точки А можно в считать параллельными. Тогда их разность хода (рис. 2.12)

, (2.24)

, (2.25)

В результате интерференции прямой и отраженный волн суммарная напряженность поля в удаленной точке (точка А) будет равна

, (2.26)

где - (2.27)- модуль интерференционного множителя.

В случае малых углов места аргумент коэффициента отражения ** (рис.2.13).

а) б)

Рис. 2.13 Модуль а) и фаза б) коэффициента Френеля для сухой почвы при различной поляризации электромагнитных волн:

1. Горизонтальная; 2 – вертикальная.

СТР 34

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Выразим значения углов и через углы места и , и при получим

(2.28)

при интерференционной множитель будет иметь лепестковый характер, изменяясь от до . (2.29)

Результирующая ДНА представляет собой произведение ДНА в свободном пространстве и интерференционного множителя :

(2.30)

Направления максимумов и минимумов функций (2.27) и (2.28) могут быть найдены из условий

и , (2.31)

где - номер лепестка или провала ДНА.

Чем больше отношение , тем уже лепестки и тем больше их число в результирующей ДНА.

Лепестковый характер интерференционного множителя и результирующей ДНА особенно выражена, если максимум ДНАориентирован вдоль горизонта () , а поляризация электромагнитных волн горизонтальная. В пределах углов места от 0 до 20 (рис. 2.13), а выражение (2.28) принимает вид

(2.32)

Характер результирующей ДНА для этого случая приведен на рис. 2.14,а. Глубина провалов ДНА доходит до нуля, а в направлении максимумов напряженность поля удваивается по сравнению со случаем формирования ДНА в свободном пространстве.

Из основного уравнения радиолокации след

СТР 35

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пропорциональна величине ДНА

Рис. 2.14. Примерный вид результирующей ДНА РЛС метрового диапазона волн при горизонтальной а) и вертикальной б) поляризации электромагнитных волн.

Следовательно, в направлениях максимумов дальность обнаружения цели увеличивается вдвое, что является положительным эффектом влияния земли. Однако наличие провалов в ДНА снижает качество проводки целей. Поэтому на практике принимаются специальные меры для исключения провалов или уменьшения их глубины , что достигается несколькими способами.

1. Использование вертикально поляризованных волн. В этом случае при углах места * более 3…5* модуль коэффициента отражения (см. рис. 2.13 , а), в результате чего интенсивность отраженной волны мала. Глубина провалов результирующей ДНА существенно уменьшается (рис. 2.14, б). Однако возникают дополнительные потери энергии, т.к. условие означает, что часть энергии падающей на подстилающую поверхность, бесполезно расходуется на нагрев почвы. В связи с этим в РЛС метрового диапазона волн вертикальная поляризация излучаемой энергии применяется редко.

СТР 36

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. Наклон электрической оси антенны к линии горизонта. Этот способ находит применение в РЛС метрового диапазона волн с зеркальными антеннами. Минимальное значение интерференционного множителя в этом случае всегда будет больше нуля (кроме точки ):

(2.33)

Однако уменьшается максимальное значение интерференционного множителя

И, следовательно, не достигается удвоенная дальность обнаружения целей под благоприятными углами места (рис. 2.15). Наклон электрической оси

Рис. 2.15. Результирующая ДНА при наклоне электрической оси антенны к линии горизонта

Рис. 2.16. Результирующая ДНА при не симметричной ДН

антенны к линии гори зонта приводит к уменьшению глубины провалов и одновременно к снижению значения коэффициента усиления в направлениях максимумов ДНА. Однако в отличие от вертикальной поляризации потерь энергии нет, а происходит лишь перераспределение потока энергии электромагнитных волн в пространстве. На практике обычно выбирают , что обеспечивает

3. Формирование не симметричной ДНА в свободном пространстве. В этом случае (рис. 2.16). Достоинство этого

СТР 37

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

способа состоит в том, что изрезанность результирующей ДНА несколько меньше при большом усилении в первом лепестке. Однако формирование не симметричной ДНА требует создать на раскрыве антенны амплитудно-фазовое распределение сложной формы. Такой способ применим в РЛС с фазированной антенной решеткой.

4. В РЛС метрового диапазона волн с невысоким энергетическим потенциалом используются антенны типа «волновой канал». Для уменьшения провалов ДНА формируется двумя разнесенными по высоте антеннами, электрические оси которых ориентированы вдоль оси горизонта.

Поскольку угловые направления максимумов и минимумов зависят от отношения , то верхнюю и нижнюю антенны располагают так, чтобы провалы в результирующей диаграмме направленности одной антенны перекрывались лепестками диаграммы направленности другой антенны (рис. 2.17). Обе антенны запитываются от

Рис. 2.17. Формирование результирующей ДН с помощью двух разнесенных по высоте антенн.

одного передатчика. Так как электромагнитные поля в соседних лепестках ДН одной и той же антенны противофазны (на рис. 2.17. это показано знаками + и - ), то при синфазном питании антенн могут появиться провалы в новых направлениях. Во избежание этого антенны запитываются со сдвигом фаз , либо в процессе обзора пространства производится коммутация питания с синфазного на противофазное для смещения по углу места провалов в ДНА.

СТР 38

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Таким образом, практическое применение проанализированных способов уменьшения провалов в результирующей ДНА РЛС метрового диапазона волн зависит от принципов построения и конструкции антенных систем.