Радиотехнические системы

111

sin βn = (n − 0,5) 4λh , n = 1,2,3....

Угловое положение максимума первого лепестка β1 вы-

числим, полагая sin β1 ≈ β1 вследствие малости β1 . Получим

β1 = 4λh .

Для того, чтобы «прижать к Земле» первый парциальный лепесток диаграммы видимости, антенны наземных РЛС рас- полагают как можно выше. Радикальным средством обнаруже- ния низколетящих объектов является расположение РЛС на ле- тательных аппаратах.

Если модуль коэффициента отражения меньше еденицы, то в максимумах диаграммы видимости дальность действия уве- личивается менее, чем в двое, а в минимумах не равна нулю.

4.3. Влияние затухания радиоволн в атмосфере на дальность действия РТС

При расчете дальности действия РТС приходится учиты- вать затухание радиоволн в тропосфере.

В тропосфере имеют место:

1)Поглощение и рассеяние радиоволн гидрометеорами (дождь, снег, туман, град).

2)Поглощение радиоволн молекулами газов, составляю- щих воздух.

Рассчитаем дальность действия активной РЛС в присутствии поглощения.

Рисунок 4.4. РЛС и цель в поглощающей среде

112

Пусть РПРО - мощность сигнала, который принимался бы в отсутствии поглощения, РПР - мощность фактически прини- маемого сигнала.

Затухание сигнала на трассе распространения выразим в логарифмической мере,

β =10lg PПР0 ,

PПР

Откуда

PПР = PПР0 ×10−0,1β .

Введём погонное ослабление a (затухание на единицу длины пути). Для активной локации

β = 2α R ,

так что

Примем следующую схемурассмотрения задачи: составим урав- нение PПР (R) = PПР.MIN , решая его, находим R = RMAX.

где RMAX 0 - дальность действия РЛС в свободном пространстве.

Рассматривая подобным образом линию связи передат- чик-приемник, получаем аналогично (4.7)

PПР = PПР0 ×10−0,1α R ,

= P G S

где PПР0 Иπ И 2 А .

4 R

113

Из последних соотношений опять приходим к уравнению

(4.8).

К сожалению, выразить из уравнения (4.8) RMAX как фун-

кцию затухания и дальности действия в свободном простран- стве невозможно. Поэтому при практических расчетах пользу-

ются семейством кривых RMAX 0 = f (RMAX ,α) , которые на осно- вании формулы (4.8) строятся просто. Вид кривых иллюстри- руется рисунком 4.5. По заданной дальности действия РТС RMAX

и коэффициенту поглощения α , который принимается посто- янным на всей трассе, находится дальность действия РТС в сво- бодном пространстве.

Затем параметры РТС выбирают исходя из соответствую- щей формулы. Методика расчета дальности действия РТС при условии, что затухание приходит не на всей трассе, а на её от- дельных участках изложена в книге [8].

Рисунок 4.5. Зависимость дальности действия от коэффициента погло-

щения

Оценим затухание количественно.

Затухание радиоволн в дожде и тумане иллюстрируется графи- ком на рисунке 4.6. Ослабление радиоволн в результате снега и града значительно меньше, и их влиянием обычно пренебрега- ют.

114

Рисунок 4.6. Зависимость коэффициента поглощения энергии радио- волн от длины волны и вида гидрометеоров:

------ дождь: 1 - очень слабый (0,2 мм/ч), 2 - слабый (1 мм/ч), 3 - средний (4 мм/ч), 4 - сильный (16 мм/ч); - - - - туман: 5 - видимость 600 м, 6 - видимость 130 м, 7 - видимость 30 м

Как видно из рисунка 4.6 с увеличением λ затухание сильно уменьшается. Поэтому РЛС с дальностью действия более 300 км обычно работают на волне λ > 10 см.

Поглощение энергии радиоволн молекулами газов за- висит от частоты. Существуют области резонансного по- глощения, где его интенсивность резко возрастает. Часто- ты резонансного поглощения близки к частотам собствен-

ных внутримолекулярных переходов или совпадают с ними.

Резонансные линии всех газов атмосферы за исклю- чением кислорода и водяного пара расположены вне диа- пазона радиоволн, поэтому существенно влияет на даль- ность действия РТС только поглощение молекулами кис-

лорода и водяного пара. Поглощение молекулами водяно- го пара максимально на волне λ=0,18 и λ=1,05 см, а мо- лекулами кислорода - волнах λ=0,25 и λ=0,5 см.

115

Коэффициент затухания радиоволн в реальной атмос- фере равен сумме коэффициентов затухания в гидромете- орах и на молекулярном уровне. На рисунке 4.7 показана зависимость коэффициента затухания в воздухе у поверх- ности Земли от длины волны [8]. Ясно виден резонанс- ный характер поглощения. Кроме того из рисунка 4.7 сле- дует, что на волнах длинее λ=10 см молекулярным погло- щением радиоволн можно пренебречь.

Таким образом, на выбор длины волны с энергети- ческой точки зрения влияют два противоречивых факто- ра: уменьшение длины волны приводит к увеличению на- правленности антенн фиксированных размеров, но уве- личивает затухание радиоволн в тропосфере. Для каждой дальности действия существует оптимальная длина волны.

Рисунок 4.7. Зависимость коэффициента затухания в воздухе от длины

волны

116

4.4. Обобщённое уравнение радиолокации

Введем в основное уравнение радиолокации, определяю- щие дальность действия РЛС в свободном пространстве, фак- торы, влияющие на дальность действия РЛС в тропосфере.

Мощность принимаемого сигнала определим по формуле

- по сути это обобщённое уравнение радиолокации. В нем ТН - время наблюдения; с - потери на неоптимальность обработки;

N0 = kШ k ×T0 = kTШ ;TШ = kШT0 - эффективная шумовая темпера- тура приемника.

4.5. Загоризонтные РЛС

Этим термином называют локаторы коротковолно- вого диапазона (λ=10-15 м), которые используют эффект Н.И. Кабанова - явление дальнего рассеянного отражения радиоволн ионосферой и земной поверхностью. В таких РЛС, как обычно, дальность до объекта наблюдения оце- нивается по задержке принятого сигнала относительно из- лученного, а его угловое положение фиксируется с помо- щью направленных антенн. Объекты наблюдения загори-

зонтных РЛС должны иметь очень большую эффективную поверхность рассеяния. Это могут быть ядерные взрывы,

117

запуски ракет, крупнотонажные корабли. РЛС могут иметь приемные и передающие устройства, расположенные в одном месте или разнесенные в пространстве. Точность местоопределения целей у таких локаторов ниже, чем в УКВ диапазоне вследствие неустойчивости ионосферы. Дальность действия загоризонтных РЛС вдоль поверхно- сти Земли достигает тысяч километров. Для эффективной работы подобных РЛС нужна хорошо развитая ионосфер- ная служба.

118

5. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

В радиотехнических системах, в частности в активных РЛС, дальность до объекта определяется по задержке принима- емого сигнала относительно излученного (зондирующего).

Методы измерения дальности различаются по существу тем, как измеряется задержка, а методы измерения задержки за- висят от вида зондирующего сигнала.

5.1.Импульсный метод измерения дальности

5.1.1.Обобщённая структурная схема импульсного

дальномера

Характерной особенностью импульсных дальномеров яв- ляется то, что излучаемый сигнал представляет собой последо- вательность радиоимпульсов. Реализация дальномеров, входя-

щих в состав радиолокационных либо радионавигационных систем могут сильно различаться между собой. Однако все они имеют некоторые характерные особенности, отраженные на структурной схеме, изображенной на рисунке 5.1.

2

ОУ Пр.

Рисунок 5.1. Обобщенная структурная схема импульсного дальномера

На схеме АК - антенный коммутатор, ОУ - оконечное уст- ройство.

На рисунке 5.2 представлены эпюры напряжений на вы- ходе передатчика (1) и приемника (2). Задержка между ними

119

измеряется в оконечном устройстве ОУ для расчета дальности по формуле (5.1).

2

t

Рисунок 5.2. Эпюры напряжений в схеме рисунка 5.1

Излучаемую последовательность импульсов обычно счи- тают периодической, хотя принципиальной необходимости пе- риодичности излучения нет.

Поскольку прием и передача импульсов разделены по вре- мени, одна антенна используется и на передачу и на приём.

Переключение прием-передача осуществляется антенным коммутатором АК, который должен надёжно закрывать приём-

ник на время передачи и не допустить шунтирования цепей приемника передатчиком во время приема.

Всхеме на рисунке 5.1 коммутация выполняется под дей- ствием излучения передатчика. Для этой цели могут использо- ваться и специальные видеоимпульсы, негерируемые синхро- низатором.

Всхемах АК используются газовые разрядники, диоды,Y- циркуляторы, отрезки длинных линий.

Рассмотрим для примера схему АК, основанную на ис- пользовании газовых разрядников и четвертьволновых отрез- ков длинных линий.

На рисунке 5.3 а) представлены эпюры напряжений и то- ков в короткозамкнутой и разомкнутой линиях передачи. Вид- но, что входное сопротивление короткозамкнутой линии стре- мится к бесконечности, а размкнутой - к нулю. На рисунке 5.3 б)