УЧЕБНИК САРП100
.pdf2.2.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