Вибір довжини хвилі

Діапазон хвиль, що використовується в радіолокаційній техніці, лежить в області метрових, дециметрових, сантиметрових та міліметрових хвиль. Від довжини хвиль ЛС залежать розміри антенної системи при необхідних значеннях ширини діаграми направленості та коефіцієнта направленої дії антени. Використання більш коротких хвиль при тих же розмірах антени дозволяє покращити роздільну здатність і точність відліку кутових координат. При виборі довжини хвилі необхідно враховувати поглинальні та розсіювальні властивості гідрометеорів і атмосфери, можливість отримання необхідної потужності від передавача і забезпечення необхідної чутливості приймача.

У діапазонах сантиметрових і особливо міліметрових хвиль інтенсивне поглинання електромагнітних коливань викликає небажане зменшення дальності дії станції. Крім того, гідрометеори в цих діапазонах можуть бути джерелами інтенсивного відбиття, що перешкоджає або навіть повністю унеможливлює спостереження цілей.

При виборі довжини хвилі слід враховувати, що період високочастотних коливань повинен бути в 50–100 разів меншим за тривалість імпульсу. Таким чином, вибір робочої довжини хвилі повинен проводитись з урахуванням особливостей ЛС і впливу довжини хвилі на її тактичні характеристики. Наприклад, ЛС дальнього спостереження, від якої не вимагається дуже високої роздільної здатності і великої точності вимірювання кутових координат, може працювати в діапазоні дециметрових або навіть метрових хвиль, в той час, коли для ЛС ближньої дії, як правило, важливі високі точність відліку кутових координат та роздільна

Продовження дод. 2

здатність. В таких випадках слушно використовувати сантиметрові, а інколи і міліметрові хвилі, оскільки при загальному невеликому радіусі дальності дії станції затухання електромагнітних хвиль в атмосфері буде впливати ще не дуже сильно.

В багатьох випадках робоча частота станції визначається прийнятими міжнародними нормами і державними стандартами згідно затвердженого розподілу частот. Тому після обґрунтування необхідного частотного діапазону, виходячи із фізичних міркувань, необхідно узгодити прийняте рішення про довжину хвилі з існуючими нормами на радіолокаційну систему даного призначення.

Потужність передавача

Під імпульсною потужністю передавача Р_пер розуміють середню за час дії імпульсу потужність, що віддається передавачем до фідерної системи. Випромінювана потужність Р_вип і потужність передавача зв’язані між собою співвідношенням Р_вип = ηР_пер , де η – ККД антенно-фідерної системи.

Залежно від призначення станції потужність випромінюваних імпульсів вибирають від одиниць кіловат до тисяч кіловат. Потужність випромінювання розраховують відповідно з основним рівнянням радіолокації. Методика розрахунку імпульсної потужності наведена в працях [10 ], [13], [14].

Імпульсна потужність зв’язана з середньою потужністю передавача за період слідування імпульсу Р_ср виразом:

.

Величина середньої потужності відносно невелика.

Чутливість приймача

Приймальний пристрій здійснює виявлення сигналів. Виявлення сигналів при узгодженій фільтрації некогерентного пакету імпульсів може бути зведене до таких операцій:

- оптимальна фільтрація кожного імпульсу пакета;

- амплітудне детектування;

- синхронне інтегрування відеоімпульсів ;

Продовження дод. 2

- випробування сумарного сигналу на поріг.

Перші дві операції виконує приймальний пристрій, а решта може бути реалізована у приймальному пристрої, процесорі або у вихідному пристрої. Застосування оптимальної обробки сигналів дозволяє зменшити порогову потужність, тобто підвищити чутливість приймача. Під пороговою потужністю Р_пор радіолокаційного приймача розуміють мінімальну потужність сигналу на його вході, при якій забезпечується прийом та виявлення відбитих сигналів із зданими ймовірностями правильного виявлення цілі D та хибної тривоги F. Порогова потужність по суті є реальною чутливістю приймача Р_{пр min}. Вона залежить від необхідного відношення сигнал-шум на виході приймача - виявляча, часу спостереження, шумових властивостей та смуги пропускання приймача, а також особливостей обробки сигналів і втрат у різних елементах локаційної системи. Чутливість радіолокаційного приймача розраховується за формулою

,

де N_ш – коефіцієнт шуму приймача;

k – стала Больцмана, k = 1,37·10^-23 Дж/град;

Т₀ – температура (при розрахунках можна задати Т₀ = 300 К);

– коефіцієнт розрізнення, який показує співвідношення між і потужністю власного шуму приймача = ;

– смуга пропускання приймача.

Найбільш відповідальним етапом розрахунку чутливості є визначення необхідного коефіцієнта розрізнення . Теоретичне значення порогового відношення сигнал-шум визначається сумарною енергією сигналу (наприклад, пакету імпульсів) і спектральною потужністю шуму , а завжди визначається відносно одиничного сигналу (одного імпульсу з пакету). Крім того, характеризує теоретично необхідне відношення сигнал-шум без урахування недосконалості реальної

Продовження дод. 2

апаратури, а коефіцієнт розрізнення повинен визначатися з урахуванням реальних втрат у системі.

Для визначення можна використовувати таку методику.

Спочатку знаходимо необхідне відношення сигнал-шум яке залежить від заданих імовірностей правильного виявлення і хибної тривоги . Для цього можна скористатися характеристиками виявлення для відповідної моделі сигналу. Якщо мова іде, наприклад, про виявлення пакету некогерентних імпульсів, то доцільно користуватися моделлю сигналу з випадковими початковою фазою і амплітудою. Графіки характеристик виявлення наведені в [4], с. 162. Вони дозволяють знайти для низки величин і заданого . Але розрахунки можна виконати і аналітично. Сучасні прикладні програми, наприклад MathCad, дають можливість легко розраховувати потрібні величини для будь-яких вихідних даних. Зокрема, для указаної моделі сигналу робочі характеристики виявлення можна виразити у вигляді рівняння

,

яке легко розв’язати відносно .

Далі необхідно визначити кількість імпульсів у пакеті N_і. Вона залежить для ЛС кругового огляду від ширини діаграми направленості в горизонтальній площині θ, швидкості обертання антени Ω та частоти слідування зондувальних імпульсів F_п, а саме:

.

При некогерентному накопиченні імпульсів пакету зв’язок між і можна записати у вигляді

,

Продовження дод. 2

де коефіцієнти враховують різні види втрат, які зменшують реальне відношення сигнал-шум і які необхідно компенсувати шляхом підвищення коефіцієнту розрізнення порівняно до теоретичного значення . Якщо немає точних відомостей про втрати в різних елементах локаційної системи , то можна при орієнтовних розрахунках прийняти загальні втрати =10.

При неоптимальній або квазіоптимальній фільтрації для забезпечення тих же ймовірностей D і F, що і при використанні узгодженого фільтра, порогова потужність зростає.

Відношення сигнал-шум при квазіоптимальній фільтрації в разів менше, ніж при узгодженій (оптимальній) фільтрації, де – відношення сигнал-шум на виході оптимального фільтра. Для приймача, що приймає прямокутні імпульси і має смуговий фільтр, смуга пропускання якого оптимальна за Сіфоровим ( ), відношення  1,2, тобто коефіцієнт розрізнення має бути у 1,2 рази більше ніж при використанні узгодженого фільтра. Зазвичай втрати через відмінності АЧХ фільтра від ідеального узгодженого фільтра враховуються одним із коефіцієнтів = у формулі для .

З наведеного вище виразу бачимо, що чутливість приймача погіршується із збільшенням смуги пропускання Δf через збільшення потужності шумів Р_ш .

Чутливість приймача може виражатися як у ватах, так і у децибелах відносно опорної потужності Р₀:

.

За відліковий рівень зазвичай приймають Р₀ = 10^-3 Вт=1 мВт.

Наприклад, Р_{пр min} = 10^-13 Вт відповідає 100 дБ відносно 1мВт.

Продовження дод. 2

Вибір тривалості імпульсів

Основним принципом вибору тривалості імпульсів (за виключенням деяких випадків ЛС дальнього виявлення) є забезпечення роздільної здатності по дальності з урахуванням того, що:

.

Від тривалості імпульсу залежить також і мінімальна дальність дії R_min. Зменшення тривалості імпульсу зменшує ефективну площу відбитків від розподілених об’єктів, таких як хмари, опади та земна поверхня.

У сантиметровому діапазоні хвиль тривалості зондувальних імпульсів зазвичай лежать в межах від 0,1 до 2 мкс, в міліметровому діапазоні тривалість імпульсів може бути значно меншою – до сотих і навіть тисячних часток мікросекунди.

Вибір частоти повторення зондувальних імпульсів

Для однозначного визначення цілей на заданих відстанях максимальна частота повторення F_пmax зондувальних імпульсів повинна задовольняти умову:

,

де К_з – коефіцієнт запасу, що зазвичай дорівнює 1,15-1,25.

Проте частота повторення імпульсів визначає кількість імпульсів в пакеті при заданій ширині діаграми направленості антени, отже, вона впливає на коефіцієнт розрізнення та на якість спостереження сигналу на екрані індикатора. Тому частота повторення імпульсів повинна бути такою, щоб при заданій швидкості огляду простору, кількість імпульсів N_і, що опромінюють ціль, була достатньою для виявлення цілі з заданою імовірністю:

.

Продовження дод. 2

Для ЛС з круговим оглядом:

.

Швидкість обертання антени

Швидкість обертання антени n_A вибирають з урахуванням вимог у відношенні скорочення часу огляду і надійністю спостереження сигналів на екрані індикатора.

При заданих значеннях ширини діаграми направленості, частоті повторення зондувальних імпульсів F_п і сектора огляду Δα_огл кількість обертів антени за одиницю часу не повинна перевищувати:

.

Для ЛС з круговим оглядом, коли Δα_огл=360˚,

.

Вибір форми і ширини діаграми направленості антенного пристрою

При виборі форми і ширини діаграми направленості необхідно дотримуватись таких вимог:

-раціонального використання потужності випромінювання (приклад косекансної діаграми направленості);

-забезпечення необхідної роздільної здатності по кутових координатах і точності їх визначення;

-огляд встановленого сектора простору чи ділянки поверхні в заданий час повинен проводитись без пропуску під час приймання відбитих сигналів.

Таким чином, вимоги виявляються дещо суперечними. Тому часто доводиться шукати компромісне рішення. Для зручності розглядають окремо діаграму направленості в горизонтальній площині та діаграму в вертикальній площині. При цьому звертають

Закінчення дод. 2

увагу на ширину діаграми направленості θ. Ширина діаграми направленості антени впливає на дальність радіолокаційного спостереження. При звуженні діаграми направленості збільшується

коефіцієнт направленої дії і відповідно зростає максимальна дальність дії ЛС по зосереджених цілях.

Точність вимірювання кутових координат також залежить від ширини діаграми направленості в площині пеленгування. При виборі θ необхідно враховувати вимоги відносно роздільної здатності за направленістю Δα. Чим ширше діаграма направленості, тим важче спостерігати цілі, що знаходяться на малій відстані.

Роздільна здатність за направленням залежить від методу огляду простору і способу вимірювання координат. Якщо в даній площині необхідно вести одночасно спостереження за великою кількістю цілей, що знаходяться в різних точках без їх пеленгування, то використовується широка діаграма направленості. В площині вимірювання кутових координат цілей діаграму направленості роблять по можливості вузькою.

Істотне значення при виборі θ має діапазон частот, в якому працює станція. Але при вибраній довжині хвилі λ ширина діаграми направленості та коефіцієнт направленої дії антени залежать від габаритів антенного пристрою:

; ,

де d_A – діаметр антени; S_A – ефективна площа антени.

Габарити антенного пристрою не можуть бути вибрані довільно. Розміри антени обумовлюються місцем установки ЛС, необхідною механічною міцністю антенної системи і т.д.

Додадок 3

Непередбачені завади та боротьба з ними

	Вид завади
Методи боротьби з завадами	Відбивання від поверхні землі чи моря	Метеоро- логічні утворення	Ангели	Аномальне поширення	Випромі- нення інших ЛС
Використання двопроменевої антени	х	х	х	х	х
Комбінація антенних променів на основі карти завад	х	х	х	-	х
Гострий зріз ДН антени в області малих кутів місця	х	х	х	х	х
Кутова поляризація сигналів	-	х	-	-	-
Використання метеорологічного каналу прийому з селекцією тривалості імпульсів	-	х	-	-	-
Регулювання чутливості приймача по часу з авт керуванням за допомогою карти завад	х	х	-	-	-
Кореляція впродовж декількох періодів повторення зондуючих імпульсів	-	-	-	-	х
1 Післядетек- торне накопичення	х	х	х	х	х
Селекція рухомих цілей (10-розрядна цифрова система)	х	х(2)	-	-	-

Закінчення дод. 3.

	Вид завади
Методи боротьби з завадами	Відбиван- ня від землі чи поверхні моря	Метеоролог гічні утворення	Ангели	Анома- льне поширен-ня	Випромі- нення інших ЛС
Фільтрація по швидкості	х	х	х	-	-
Підсилення з логарифмуванням, диференціюванням, анти логарифмуван- ням	х	х	х	-	-
Автоматичне регулювання динамічного діапазону приймача	х	х	-	х	-
Автоматичний вибір між звичайним каналом та каналом з СРЦ	х	х	-	х	-
Когерентний передавач (плюс СРЦ)	х	-	-	х	-

¹Покращує відношення сигналу до шуму, але не впливає на ступінь контрастів корисного сигналу по відношенню до завади.

²Ефективна лише у відповідних умовах.

Навчально-методичне видання

Теорія локаційних систем

Методичні вказівки до виконання курсової роботи

для студентів спеціальності 7.100118

«Системи аеронавігаційного обслуговування»

Укладачі: ХАРЧЕНКО Володимир Петрович

ЯНОВСЬКИЙ Фелікс Йосипович

СОКОЛОВ Петро Михайлович

ПЕТРЕНКО Степан Павлович

Технічний редактор А.І.Лавринович

Коректор Л.М.Романова

Підп. до друку 27.04.06. Формат 60´84/16. Папір офс.

Офс. друк. Ум. друк.арк. 1,86. Обл.- вид.арк. 2,0.

Тираж 100 пр. Замовлення №90-1. Вид.№109/ИТ

Видавництво НАУ

03680 Київ-680, проспект Космонавта Комарова,1

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК №977 від 05.07.2002

32