3 Розрахунки технічних характеристик

РАДІОЛОКАЦІЙНИХ СИСТЕМ

3.1 Аналіз завдання та послідовність ескізних розрахунків

Технічні характеристики окремих частин системи, як зазначалось, не можуть бути визначеними без урахування інших її складових. Проте, можна обрати такий порядок розрахунків, за якого зменшується кількість уточнень об­числених раніше технічних показників та параметрів.

У навчальному проектуванні розрахункам технічних характеристик передує аналіз завдання. Результатом аналізу мають бути розгорнуті відповіді на такі питання.

1) Які структурні та принципові особливості системи (або її окремих пристроїв) повязані з її призначенням?

2) Які вимоги до складових системи можна сформулювати в додаток до завдання з урахуванням призначення?

3) В якому режимі повинна діяти система (послідовний огляд простору, слідкування за координатами цілі тощо)?

4)Які особливості мають антенні пристрої з урахуванням режиму роботи та призначення системи?

5) Якими засобами забезпечується задана точність оцінювання координат (наближене оцінювання в режимі послідовного огляду, слідкування за координатами у неперервному режимі тощо)?

6) Які перешкоди можна очікувати у звязку з призначенням системи?

7) Які вихідні пристрої передбачаються в системі?

8) Які додаткові вимоги слід враховувати у звязку з місцем розташування РЛС (літак, корабель, поверхня Землі тощо)?

9) Чому дорівнює час обробки сигналу до одержання некорельованого відліку параметра (або коориднати), якщо проектується вимірювальна система?

Аналіз завдання дозволяє обрати попередній варіант структури та принципу дії системи.

Визначення технічних характеристик системи доцільно виконувати у такій послідовності:

1) вибір та обгрунтування принципу дії РЛС;

2) вибір довжини хвилі несійного коливання;

3) розрахунок дальності дії РЛС з урахуванням втрат при поширенні ра­діохвиль;

4) оцінювання потенційної роздільної здатності або потенційної середньоквадратичної помилки вимірювання координат;

5) вибір способу огляду простору та розрахунки вимог до антенних пристроїв;

6) вибір типів вихідних пристроїв і розрахунки їх параметрів;

7) визначення алгоритмів обробки сигналів та розробка спрощеної елект­ричної структурної схеми РЛС;

8) обчислення ефективної площі вторинного випромінення цілі (ЕПЦ);

9) розрахунки неенергетичних параметрів зондувального сигналу;

10) обчислення порогової потужності на вході приймального пристрою;

11) обчислення потужності зондувального сигналу;

12) обгрунтування вимог до пристроїв захисту від перешкод;

13) уточнення обчислених технічних характеристик.

3.2 Вибір довжини хвилі

При виборі довжини хвилі несійного коливання слід враховувати таке. Зменшення довжини хвилі дозволяє при менших габаритах антени одержати необхідну ширину діаграми спрямованості за половинною потужністю . Проте, чим менше , тим більше втрати електромагнітної енергії при поши­ренні хвиль в атмосфері, зокрема, втрати у молекулах кисню, водяній парі, краплях дощу та туману 7.

Ефективна площа вторинного випромінення реальних обєктів зале­жить від довжини хвилі. Якщо більше, ніж геометричні розміри цілі, то виявляється дуже малою. Наприклад, для сферичного обєкта з діелектричною проникністю , діаметр якого , відома формула Релея:

.

Тому для метеорологічних РЛС із заданими дальністю дії і розмірами антени можна знайти оптимальну довжину хвилі, за якої потужність зонду­вального сигналу буде мінімальною 7.

Якщо в радіолокаційній системі використовуються коливання метрового діапазону, поверхня Землі бере участь у формуванні діаграми спрямованості антени за умови відносно малих нерівностей поверхні , а саме

У цьому випадку потужність сигналу, що випромінюється в деяких на­прямках, суттєво збільшується, але виникають такі напрямки (кути місця), у яких діаграма спрямованості має глибокі мінімуми 5,7.

Остаточний вибір роблять з урахуванням електромагнітної сумісності радіоелектроних пристроїв та систем за рекомендаціями служби розподілу частот.

У деяких випадках передбачається робота системи одночасно в різних частотних діапазонах, якщо задовольнити всі технічні вимоги за допомогою однієї довжини хвилі не вдається.

Часто обмеження у виборі повязані з двома суперечними факторами: обмеженням габаритів антени і втратами при поширенні хвиль. Останнє визна­чає вибір з урахуванням дальності дії системи.

3.3 Обчислення дальності дії РЛС з урахуванням втрат при поширенні радіохвиль

Реальна дальність дії активної РЛС визначається співвідношенням:

, (3.1)

де - коєфіцієнт поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні та

водяній парі (у децибелах на кілометр);

- коефіцієнт поглинання в атмосферних опадах (дБкм);

- довжина частини траси поширення хвиль з атмосферними опадами (км);

- число ділянок з атмосферними опадами;

-максимальна дальність радіовиявлення цілі у вільному просторі (км).

Числові значення коефіцієнта поглинання радіохвиль містить таблиця 3.1.

Таблиця 3.1 – Коефіцієнт поглинання радіохвиль дБ/км

Характеристика середовища	Довжина хвилі , см
	1,5	2	3	4	6	8	10
сильний дощ (16 ммгод.) середній дощ (4 ммгод.) слабкий дощ (1 ммгод.) туман видимість 150 м туман видимість 60 м туман видимість 30 м водяна пара, 200С, 760 мм рт.ст. кисень повітря 200С, 760 мм рт.ст.	1,4 0,3 0,05 0,5 0,2 0,1 0,1 0,015	0,8 0,15 0,03 0,3 0,13 0,06 0,03 0,013	0,3 0,05 0,01 0,12 0,06 0,023 0,003 0,01	0,13 0,022 0,005 0,063 0,02 0,012 0,001 0,006	0,04 0,01 0 0,03 0,013 0,005 0 0,006	0,016 0 0 0,016 0,005 0 0 0,006	0,006 0 0 0,01 0 0 0 0,006

Завдання на проектування, як правило, містить значення реальної дальності . Для обчислення потужності зондувального сигналу необхідно визначити .

Співвідношенню (3.1) можна надати іншої форми:

.

Оскільки та відомі або обрані, значення експоненційного множ­ника, що містить ці змінні, легко обчислюється. Щодо множника, який врахо­вує втрати у молекулах кисню та водяної пари, то суттєво, що ці втрати існують на всій трасі поширення радіохвиль. У цьому випадку доводиться обчислювати

шляхом розвязання трансцендентного рівняння

(3.2)

Рівняння (3.2) не має аналітичного розвязку. Одержати наближенний розвязок можна графоаналітичним методом. Допоміжні графіки для такого розвязання містять посібники 5,7.

Проте, можна легко одержати значення шляхом розкладання експоненти у степеневий ряд. Позначимо для скорочення . Із співвідношення (3.2) одержуємо

(3.3)

Ряд (3.3) збігається монотонно для всіх . Якщо , ряд збіга­ється дуже швидко. Саме такі значення добутку відповідають більшості систем.

Розглянемо приклад. Хай реальна дальність дії , довжина хвилі . Знайдемо дальність радіовиявлення цілі у вільному просторі без урахування втрат в атмосферних опадах (гідрометеорах).

Згідно з таблицею 3.1, коефіцієнт поглинання у молекулах кисню дорівнює ; втратами енергії у водяній парі можна знехтувати. Тоді допоміжна змінна .

Оскільки дальність пропорційна потужності зондувального сигналу в степені , то для збільшення дальності радіовиявлення у 1,232 рази треба збільшити потужність Р_в у (1,232)⁴=2,3 рази. Таким чином, в даному випадку більше половини енергії зондувального сигналу втрачається при поширенні радіохвиль у реальній атмосфері.

Ще один приклад. Припустимо, що з метою зменшення габаритів антени обрано довжину хвилі несійного коливання . Необхідна реальна дальність дії , як і раніше, дорівнює 300 км. Знайдемо .

Коефіцієнт поглинання у кисні , у водяній парі –

.

Сумарні втрати .

Допоміжний коефіцієнт

Дальність дії у вільному просторі

Внаслідок існування втрат енергії потужність зондувального сигналу в розглянутому прикладі необхідно збільшити у разів. Отже, вибір довжини хвилі см за умови км може бути виправданим лише вельми вагомими причинами, наприклад, метеорологічним призначенням РЛС.

Якщо при проектуванні в результаті розрахунків виявляється, що без урахування втрат в атмосферних опадах, то треба проаналізувати можливість використання хвиль більшої довжини.