Физические и геометрические основы работы радиолокационных станций

Реферат

Физические и геометрические основы работы радиолокационных станций

Физические и геометрические основы работы радиосистем извлечения информации

В основе работы всех радиосистем извлечения информации о координатах и других характеристиках того или иного объекта лежат 3 важных свойства электромагнитных волн:

·   прямолинейность их распространения в свободном пространстве

·        постоянство скорости их распространения в свободном пространстве

·        весьма малые изменения их направления, скорости, среды поляризации, создаваемые средой распространения (однородность и изотропность среды распространения)

Рассмотрим, как используются эти свойства для определения координат объектов и скорости их движения.

Радиодальнометрия (измерение расстояния)

Основную роль здесь играет второе свойство электромагнитных волн - постоянство скорости распространения.

Т.к. скорость их распространения c=const и известна с большой точностью, то, измерив время  распространения радиоволн от излучателя к приемнику, можно однозначно определить расстояние между ними:

Т.к. , каждой микросекунде времени распространения соответствует 300 м пройденного волной расстояния.

Чтобы измерить время распространения волны, необходимо зафиксировать начало отсчета, сделать «засечку». По способу создания такой «засечки» различают 3 основных метода дальнометрии:

Метод синхронных часов (при импульсном излучении)

Необходимо, чтобы высокоточные часы передатчика и приемника были синхронизированы. В месте приема фиксируется момент приема импульсного сигнала, время излучения которого известно, и так определяют время распространения волны от передатчика к приемнику.

Метод фазометра (при непрерывном излучении колебаний постоянной частоты ):

Здесь используется однозначная связь полного фазового сдвига между излученным и принятым сигналами  с временем :

Измерение  может осуществляться и на несущей частоте и на частоте огибающей модулированных колебаний.

Метод частотомера (при частотной модуляции передатчика)

При линейном измерении частоты передатчика по закону  (где  - скорость изменения частоты) запаздывающий на время  сигнал на входе приемника будет смещен относительно излученного по частоте на .

Т.к. g=const заранее известная величина, то измерение  сводится к изменению .

Основное ограничение всех этих трёх методов связано с трудностью «сверить часы» между передатчиком и приемником, особенно когда один из них расположен на подвижном объекте.

Поэтому в навигационных системах широко используется опора на две или более наземных навигационных пункта, находящихся друг от друга на точно заданном расстоянии, названном базой d (синхронизация часов между ними не составляет особого труда).

Измерению подвергается сумма или разность расстояний летящего объекта до этих двух пунктов. Соответственно различают суммарно- или разностно-дальномерные системы. При сокращении базы суммарно-дальномерной системы до нуля (d=0), т.е. при совмещении ее двух навигационных пунктов, один из которых представляет собой передатчик, а другой приемник, эта система преобразуется в дальномерную, для которой  и каждой микросекунде времени распространения соответствует 150 м пройденного волной расстояния.

Радиопеленгация (измерение угловых координат)

При измерении угловых координат главную роль играет первое свойство ЭМВ - прямолинейность распространения. До последнего времени в радиопеленгаторах применялись остронаправленные антенны с вращающейся, качающейся или коммутируемой ДН в трёх основных вариантах:

1.      Установка оси антенной системы в направлении на цель по максимуму амплитуды сигнала данной цели. Этот метод характеризуется высокой энергетикой (Е® Еmax), но малой угловой чувствительностью (работа на «тупом» участке ДН)

2.      Установка оси антенной системы в направлении на цель по минимуму амплитуды сигнала данной цели. Для этого метода характерна низкая энергетика (Е® Еmin), но более высокая угловая чувствительность (работа на крутом участке ДН)

3.      Коммутация двух смещенных в разные стороны от оси антенны ДН и установкой оси антенной системы в направлении на цель по равенству амплитуд сигналов данной цели для двух ДН. Этот вариант, известный как метод равносигнальной зоны, совмещает основные достоинства двух первых методов: Е® Еmax, работа на «крутом» участке ДН, т.е. достаточно высокая угловая чувствительность.

Работа всех этих пеленгаторов основана на сравнении амплитуд сигналов при относительно медленном вращении, качании или коммутации ДН антенны, что не позволяет определять направление на цель в каждый данный момент времени. Это ограничение существенно, т.к. при непрерывно возрастающих скоростях целей их угловое положение может на интервале измерения значительно измениться, а диаграмма обратного рассеяния (ДОР) имеет сложную многолепестковую форму, и при их движении одно из коммутируемых положений электрической оси антенны может совпасть с одним из максимумов, а другое - с одним из минимумов ДОР. При совпадении амплитуд сигналов будет допущена грубая ошибка.

Это привело к быстрому вытеснению таких пеленгаторов моноимпульсными (или одновременными), позволяющими определять направление на цель в каждый данный момент. Основу их обычно составляют разностно-дальномерные системы, которые при большом удалении от них целей вырождаются в угломерные. Действительно, как следует из рисунка при R>>d разность дальностей R_{1 -} R₂=dcosY и не зависит от расстояния. Поэтому здесь пригоден любой метод измерения расстояния: синхронных часов, фазометра или частотомера. Системы пеленгации с фазометром получили название фазовых пеленгаторов.

Измерение радиальной скорости

Радиальной скоростью V_r называют проекцию вектора V скорости цели на направление «измерительная система - цель». Т.к. V_r=dR/dt (где R - расстояние между измерительной системой и целью), в принципе V_r можно определить, дифференцируя показания радиодальномера, либо оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени. Однако, повсеместно для измерения скорости V_r используется эффект Доплера а несущей частоте, т.к. при этом обеспечивается несравненно большая точность измерений.

Разность частот излученного и принятого колебаний называется доплеровским приращением частоты f_д.

Если передатчик излучает гармонические колебания частоты f_д, а приемник движется относительно него с переменной скоростью V(t) под углом Q(t) к линии передатчик - приемник, для большинства практических приложений зависимость f_0r от скорости V(t) может быть с удовлетворительной точностью определена простым соотношением:

,

где V_r(t) - радиальная составляющая скорости

l - длина волны излучаемых колебаний

Основная трудность измерения f_д в выше беззапросной радиолинии связана с необходимостью иметь в месте приема сигнал, частота которого с высокой точностью (до 10^-11-10^-10) равна частоте удаленного передатчика. Значительно проще измерять f_д в радиолокационной или запросно-ответной системах, в которых передатчик и приемник находятся рядом.

Переход от связного к радиолокационному или запросно-ответному каналам, в которых радиоволны дважды проходят путь между измерительной системой и объектом, дает при прочих равных условиях удвоение приращения доплеровской частоты, т.е.

f_д =2Vr(t)/l.

В частном случае прямолинейного равномерного движения, когда V(t)=V₀=const, формула для f_д упрощается и частота является функцией только угла Q.

В общем случае эта зависимость характеризуется косинусной полярной диаграммой (рисунок со стр. 12). Из диаграммы видно, что как при сближении, так и при удалении объекта частота f_д достигает максимума, когда вектор скорости направлен вдоль радиолуча (Q=0, Q=p) и f_д =0 при . При практических расчетах удобно пользоваться формулой

,

где частота выражена в Гц, скорость в м/с, длина волны в см.

Определим порядок доплеровского приращения. Пусть V=10³ м/с, l=2 см, Q=0, тогда  Гц, при V=10² м/с f_д =10⁴ Гц.

Таким образом, в типовых задачах максимальные доплеровские приращения частоты лежат в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот.

Влияние кривизны земной поверхности

До сих пор мы рассматривали радиолокационные наблюдения при условии распространении волн над плоской поверхностью. Такая постановка справедлива при сравнительно небольших дальностях. При больших дальностях необходимо учитывать влияние кривизны земной поверхности.

Кривизна земной поверхности ограничивает дальность радиолокационного наблюдения дальностью прямой видимости , которая зависит от высоты антенны РЛС  и высоты цели . Из рисунка следует, что дальность прямой видимости равна

,

где - радиус Земли.

Необходимо различать особенности распространения ЭМВ в пределах зоны прямой видимости  и вне ее. В первом случае поле в зоне радиолокационного наблюдения имеет интерференционный характер, и могут быть использованы расчеты по полученным выше соотношениям, скорректированные с учетом кривизны.

В общем случае формулы, полученные ранее, несправедливы. Однако, если провести касательную в точке отражения и отсчитывать высоты не от поверхности земли, а от этой плоскости, то можно пользоваться полученными формулами. Для этого надо истинные высоты заменить их приведенными значениями Z и . Справедливость такой замены является случаем того, что углы скольжения луча относительно сферической поверхности одинаковы и равны . Следовательно

 и

При отражении ЭМВ от сферической поверхности имеет место расхождение отраженных лучей. Параллельный пучок падающих лучей трансформируется в пучок расходящихся лучей (сферическое расхождение). Следствием этого является уменьшение интенсивности отраженной волны. Учесть это явление можно, уменьшив коэффициент отражения от сферической поверхности. Тогда

,

где  - коэффициент сферической расходимости.

где  - горизонтальная дальность.

Влияние атмосферной рефракции

электромагнитный кривизна рефракция радиолокационный

До сих пор мы предполагали, что распространение волн происходит в однородной атмосфере. На самом деле атмосфера представляет собой неоднородную среду, в которой изменение диэлектрической проницаемости вызывает изменение коэффициента преломления:. В результате происходит искривление траектории лучей - рефракция электромагнитных волн.

Существенное влияние на дальность действия РЛС оказывает тропосфера - нижний слой атмосферы Земли. В тропосфере  является функцией метеопараметров: давления, температуры, влажности. Метеопараметры меняются с высотой. Различают 3 характерных случая в зависимости от градиента изменения показателей с высотой.

.  - рефракция отсутствует; распространение происходит прямолинейно.

.  - отрицательная рефракция, возникающая при увеличении показателей с высотой. Траектория луча обращена выпуклостью вниз. Луч постоянно удаляется от Земли.

.  - положительная рефракция. В отличие от отрицательной, ведет к увеличению дальности радиолокационного наблюдения.

Для количественной оценки необходимо в каждом конкретном случае знать закон изменения преломления. Это очень сложно из-за изменчивости состояния атмосферы. Общее решение задачи получить невозможно. Поэтому оценка производится при так называемых стандартных условиях: .

В атмосфере, по мере увеличения высоты, давление, температура, влажность уменьшаются. Величина  также уменьшается, стремясь к 1 по мере разряжения воздуха. При этом условиях стандартной атмосферы, градиент показателя изменения отрицательный:

.

Чаще всего атмосферные условия далеки от стандартных.

Если , то искривление траектории радиолуча увеличивается по сравнению со стандартной атмосферой.

При  наступает критическая рефракция, при которой траектория лучей, имевших первоначально горизонтальное направление, превращается в окружности, центры которых совпадают с центром Земли.

В атмосфере могут сложиться условия, когда . В подобных случаях траектория радиолуча становится больше кривизны поверхности Земли, и возникает сверхрефракция. При этом возможно волноводное распространение волн, когда траектория луча целиком находится в пределах нижнего слоя тропосферы - волнового канала. Это приводит к резкому увеличению дальности распространения УКВ и вызывает значительное увеличение напряженности поля.

Если антенна РЛС и объект находятся внутри этого волновода, то наблюдение за объектом можно вести за пределом максимальной дальности. Известны случаи, когда станция, расположенная на высоте 80 м над уровнем моря. Обнаруживала корабль на расстоянии 1120 км, а береговую линию - 2500 км. В нормальных условиях дальность действия была 200 км.

Сверхрефракция явление нерегулярное, ее трудно предвидеть. К тому же, она является источником дополнительных помех, т.к. калибровка оконечных устройств производится без ее учета.

Влияние затухания в атмосфере

Затухание обусловлено двумя причинами:

- погашение энергии ЭМВ газами атмосфер, гидрометеорами, частицами пыли и дыма,

рассеивание ЭМВ различными частицами.

Убывание плотности потока мощности происходит по экспоненте. Поэтому в формулу, выражающую зависимость плотности потока мощности на входе приемника от расстояния R, должен вводиться экспоненциальный множитель ослабления:

,

где  - мощность в отсутствии затухания,

Г - коэффициент суммарного затухания.

Значение множителя ослабления  зависит, кроме того, и от расстояния до цели. В общем случае, когда интенсивность затухания волны меняется вдоль траектории луча:

,

где R - расстояние от РЛС до цели,

 - коэффициент затухания на элементарном участке траектории.

Для области однородной атмосферы:  и мощность сигнала на входе приемника:

 - коэффициент затухания для всей траектории радиолуча.

Если выразить  в децибелах на километр, то получим

Значение коэффициента затухания зависит от длины волны, атм. давления, влажности, температуры, параметров частиц, вызывающих рассеивание ЭМВ. Теоретический учет всех факторов затруднен. Поэтому пользуются экспериментальными данными.

Уточненное уравнение радиолокации

Если затухания нет, то

.

При наличии затухания

.

Очевидно, что пороговому значению мощности отраженного сигнала  в первом случае соответствует большая дальность , т.е. имеет место соотношение

.

График зависимости R от затухания может быть представлен в следующем виде:

;

 - коэффициент затухания.

С помощью этой кривой можно определить дальность радиолокационного наблюдения. Из рисунка следует: относительное уменьшениерастет с увеличением дальности наблюдения и затухания.

Практика радиолокационных наблюдений показывает, что волны длиннее 10 см даже при неблагоприятных метеоусловиях испытывают малое затухание в тропосфере. Поэтому при расчетах для РЛС МВ и ДМВ диапазонов, можно не учитывать.

Волны см и мм диапазонов заметно затухают в атмосфере и не могут быть использованы в станциях дальнего обнаружения.

В случае РЛС сверхдальнего наблюдения необходимо учитывать затухание в атмосфере:

 - затухание на 1 км

Литература

1. Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 528 с., ил.

. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 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. - 2006 г.

. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.