Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

дикулярной плоскости веерообразного луча. В случае не­ прерывного сигнала или импульса большой длительности размер отражающей площадки в плоскости луча 6Dr = Dr, т. е. в этой плоскости луч также заполнен целью полностью. Для коротких же импульсов, когда 6Dr < Dr, имеет место неполное заполнение луча поверхностно распределенной целью в плоскости луча.

Для определения ЭОП воспользуемся формулой (3.8.20). Так как земная поверхность на миллиме•"повых и сантимет­

ровых волнах близка к диффузно-отражающей, у которой у (е) = у0, то с помощью (3.8.21) окончательно получим Оц = yoD0o>56D tg е = cryAD0O56D/cos е ~ D, (3.8.22)

что характерно для неполного заполнения луча поверхност­ но-распределенной целью, так как только один из размеров цели пропорционален дальности D.

Если луч РЛС иглообразный, т. е. имеет коническую фор­ му (рис. 3.37) и эллиптическое поперечное сечение, то пло­ щадь облучаемой лучом поверхности

So = л (D0p /2) (D0e/2 sin е) = siD- 0g0e/4 sin e,

где Op и 0e — ширина луча в плоскостях азимута и угла места.

При не очень высокой разрешающей способности по дальности (большая длительность импульса), когда разре­ шаемая площадка ограничивается сечением луча не только в горизонтальной плоскости углов 0, но и в вертикальной плоскости углов е, ЭОП равна

<тн — SQy (е) sin е — у (е) nD2 0р0е/4 ~ D2, (3 8.23)

190

что характерно для полного заполнения луча поверхностнораспределенной целью, так как каждый из размеров такой цели пропорционален дальности D.

Напомним, что в отличие от распределенной цели ЭОП точечной цели вообще не зависит от дальности,

6. ЭОП при облучении гладкой и умеренно шероховатой поверхностей. В случае нормального падения волны на гладкую идеально отражающую поверхность последнюю можно заменить зеркально расположенным точечным отра­ жателем (рис. 3.38, а). Плотность потока мощности на рас­ стоянии 2Н в случае ненаправленной антенны равна ^изл/4я (2Я)2 (где Ризл — излучаемая мощность), а с учетом коэффициента направленного действия антенны G' она возрастает до РИзлО74я (2Я)2. Если же учесть потери при отражении на границе с реальной средой, учитываемой

Заменяя теперь отражающую поверхность эквивалент­ ной точечной целью, ЭОП которой равна ац, получаем со­ гласно (3.1.2)

Пр = Пц(Уц/4лЯ2,

а так как Пц = P^^G'I^H2, то

Для ориентировочной оценки удельной ЭОП следует раз­

делить Оц на площадь, «освещаемую» коническим лучом ши­ риной 0О,5» т. е- я (^®о,5/2)2. Так как G' ~ 4л/0о,5, то

В случае умеренно шероховатой поверхности (при разме­ рах неровностей < Х/4), которая, однако, не может рассма­ триваться как зеркально отражающая, в качестве ЭОП мо­ жет быть принята площадь первой зоны Френеля (рис. 3.38, б) с учетом коэффициента отражения по мощности, т. е.

Од = п {УНШУ R2 = nHlRm. (3.8-28)

Как видно, ЭОП зеркально отражающей поверхности превышает ЭОП умеренно шероховатой поверхности в 2/7/Х раза.

191

7. ЭОП морской поверхности. Отражение радиоволн от морской поверхности определяется неровностями, наличием брызг, перемещением масс поверхности. Состояние морской поверхности определяется не только локальным распределением скорости ветра, но зависит от его распределения на большей площади.

На рис. 3.39, а показана характерная для морской поверхности (а также для шероховатой земной поверхности) зависимость оуд от угла скольжения е. Здесь можно выде­ лить область интерференции, область диффузного отраже-

Рис. 3.39. Отражение от морской поверхности:

а — зависимость от угла скольжения, б — возможный ход лучей при отраже­

нии от волнения

ния (часто именуется областью «плато») и область квазизеркального отражения. Границы между ними назовем кри­ тическим екр и переходным еп углами.

Для углов е< екр, составляющих несколько градусов, прямая волна интерферирует с отраженной подобно тому, как это происходит над гладкой поверхностью (см. $ 3.7). Возможная схема отражения от морской поверхности, при которой сказывается явление интерференции, показана на рис. 3.39, б. Здесь результирующее поле, образуемое пря­ мой и отраженной волнами в точке Ц, определяется множи­ телем земли (3.7.12), который для малых углов скольжения (когда точка /(расположена ниже первого лепестка) с уче­ том sin е = HID равен

Полагая, что в точке Ц находится точечная цель с ЭОП Оц0, получаем, что за счет интерференции ЭОП преобразует­

оуд = Оц/S ~ е4 (S — облучаемая площадка), т. е. очень быстрый спад Оуд при е < енр.

192

. Переходя к морской поверхности как поверхностнораспределенной цели, ЭОП в случае интерференции можно представить в виде оцГзем (е), и так как согласно (3 8.22)

D, а ГзеМ (е) ~D^, то ЭОП ~ D~3. На характер отражения может повлиять затенение разрешаемых участ­ ков самими волнами. Кроме того, для вертикальной поляри­ зации на малых у^лах места сказывается угол Брюстера, при котором коэффициент отражения минимален и влияние интерференции падает. В отличие от суши для морской по­ верхности характерно наличие интерференции и вызван­ ной этим лепестковости множителя Гаем (е) даже в 3-см диапазоне волн. Это объясняется заметным влиянием отра­ жений от гребешков волн.

Для малых углов 8 можно воспользоваться эмпириче­ ской формулой

Оуд = - 64 + 6Кб + 10 1g (sin 8) - 10 1g X,

(3 8.30)

где Кв — баллы по шкале Бофорта (см. рис. 3.33). Например, для е = 1°, Кв = 4 и при изменении длины

волны X от 0,023 до 0,032 м получим, что оуд = (— 51,5 ...

... — 41,5) дБ.

В области «плато» имеет место обычное диффузное рас­ сеяние с уменьшением оуд примерно 0,15 дБ/°. При этом ЭОП ~D. Наконец, на достаточно больших углах сколь­ жения (например, еп2> 60°) имеется заметная вероятность зеркального отражения от фацетов (см. § 3.7), образующих поверхность волнения, причем оуд для падения по нормали на гладкую воду составляет 0 ...-+ 10 дБ и уменьшается более чем на 35 дБ для углов, отличающихся от вертикаль­ ного на 10°.

Ветер заметно влияет на отражение радиолокационно­ го сигнала от морской поверхности. Для 8 = 90° величина <7уД уменьшается при появлении ветра, а для е < 80° — увеличивается. Если направление излучения РЛС направ­ лено по ветру, то отражение больше, чем в других направ­ лениях. Величина оуд зависит от ветра сильнее при гори­ зонтальной поляризации волны, чем при вертикальной. Это различие уменьшается с увеличением волнения и угла е.

Переходя к частотной зависимости оуд, следует отме­ тить слабое изменение комплексной диэлектрической про­ ницаемости морской воды как в миллиметровом, так и в , сантиметровом диапазонах. Так, при переходе от X = 3 см

к X = 6 см 8 в изменяется от 48—35j до 51—36j. Экспери­ мент подтверждает, что при 0 ^ 20 ... 30° величина ауд

193

Аналогичный парадокс имеет место и в случае рис 3.40, б, когда

Указанные противоречия возникают, когда используется модель земной поверхности, имеющая вид непрерывной гладкой поверхно­ сти. Кажущийся парадокс разрешается для модели в виде дискрет­ ных отражателей. Если, например, в пределах луча может находить­ ся лишь один точечный отражатель, то в случае рис. 3.40, а расстоя­ ние до него фактически изменяется, а в случае рис. 3.40, б не изме­ няется.

Следует отметить, что при непрерывной ровной отражающей по­ верхности отражение зеркальное и в обратном направлении вообще отсутствует. Только при наличии дискретных отражателей на ров­ ной поверхности или шероховатости появляется обратное отраже­ ние, и вместе с ним в РЛС будет наблюдаться эффект Доплера.

2. Спектр колебаний, отраженных от протяженной по­ верхности. Рассмотрим облучение земной поверхности с борта летательного аппарата (рис. 3.41). При немодулированном излучении сигнал, отраженный от одного дискрет­ ного отражателя, является ЧМ импульсом с огибающей, имеющей форму диаграммы направленности антенны по мощности (рис. 3.42, а). Девиация частоты в пределах та­ кого импульса равна разности доплеровских частот

195

В случае использования коротких импульсов, не «за* полняющих» луч (см. § 3.8), формула (3.9.1) преобразуется

При достаточно узком луче энергетический спектр S3 (F д) сигнала от протяженной поверхности, т. е. мощность, приходящаяся на единицу полосы доплеровских частот

в первом приближении определяется функцией у (е) Fp (в), где е = arccos (Гд%/2и). Примерный вид спектра 5Э (Гд) показан на рис. 3.42, б сплошной линией. Такой спектр

ного аппарата относительно земли, что можно использовать для построения простейшего (однолучевого) измерителя пу­ тевой скорости.

При полете над морем возникает смещение спектра (око­ ло 1%), вызванное различием ДОР для суши и для моря. Как видно из рис. 3.33, при больших углах скольжения е коэффициент обратного отражения у для поверхности моря превышает соответствующее значение для суши, однако с уменьшением е (с ростом угла падения 0) этот коэффициент для моря падает быстрее. Поэтому максимум спектра смеща­ ется в область меньших частбт. Большое влияние на смеще­ ние частоты максимума и расширение спектра оказывает также движение частиц водной поверхности, особенно в районе гребней волн. Этот фактор может играть основную роль.

Отражения от земной поверхности и различных предме­ тов, расположенных на ней, необходимо учитывать и при работе наземных РЛС (отражения от «местных предметов»). Эти отражения являются мешающими. Они характеризуют­ ся расширением спектральных линий последовательности импульсов /о ± kFn, вызванных случайными перемещения­ ми цели (например, раскачивание деревьев при ветре). Глав­ ное отличие этих помех от внутренних шумов приемника заключается в наличии корреляции от одного периода об­ зора к другому (это соответствует достаточно малой ширине энергетического спектра, которая обратно пропорциональ­ на интервалу корреляции). Согласно экспериментальным данным, энергетический спектр флуктуаций при отражении от распределенной цели в области каждой спектральной ли-

196

сигнала от ближайшей спектральной линии /0 + kFu, где f0 — несущая частота сигналов РЛС, kFn </0, а а — без­ размерный коэффициент, характеризующий расширение спектральных линий из-за отражения от распределенной це­ ли, он изменяется от *3,9 1019 для редкого леса в безветрен­ ный день до 2,8-1015 для дождевых облаков.

Рис. 3.43. Изочастотные линии на плоской земной поверхности при горизонтальном перемещении РЛС

Для определения расширения спектральных линий мож­ но также использовать средний квадратический разброс частот сигнала от распределенной цели связанный со средним квадратическим разбросом скоростей элементарных

же доплеровского сдвига Гд ось луча, направленного *вниз к земной поверхности под углом места в к вектору скорости v, не обязательно должна лежать в вертикальной плоскости. Имеется геометрическое место точек пересечения оси луча с земной поверхностью, для которых доплеровский сдвиг частоты остается постоянным. Найдем это геометрическое место точек.

197

Линии равных доплеровских частот имеют вид семейст­ ва гипербол, именуемых изочастотными линиями (или изо­ допами). При е = 90° (на линии, расположенной непо­ средственно под летательным аппаратом) Рд = 0. Линии, расположенные впереди -летательного аппарата, соответст­ вуют положительному сдвигу доплеровских частот (4- Рд), а сзади — отрицательному (— Рд).

Интервал между изочастотными линиями характеризует чувствительность однолучевой доплеровской измеритель­ ной системы к углу поворота луча антенны в горизонталь-

а)

Рис. 3.44. Определение угла сноса:

а — навигационный треугольник скоростей, б — к объяснению изменения ча­ стоты биений вторичного эффекта Доплера, когда луч антенны совпадает и не совпадает с линией пути

ной плоскости. Чувствительность повышается при переходе к многолучевым системам, используемым в доплеровских из­ мерителях скорости и угла сноса — ДИСС.

4. Измерение угла сноса с помощью вторичного эффекта Доп­ лера. На рис. 3.44, а показан навигационный треугольник скоростей, состоящий из горизонтальной составляющей воздушной скорости, совпадающей с осью с'амолета V, скорости ветра U и результирую­ щего вектора, совпадающего с линией пути, IF. Угол сноса (УС) отсчитывается между векторами V и W по часовой стрелке, а путе­ вой угол (ПУ) отсчитывается между северным направлением мери­ диана и вектором путевой скорости IF по часовой стрелке.

С помощью бортовой РЛС, обладающей достаточно острым лу­ чом, направленным в сторону земной поверхности, можно измерить УС на основе фиксации минимальной частоты биений при вторичном эффекте Доплера (§ 2.3).

На рис. 3,44, б изображена узкая полоса земной поверхности, облучаемой при разных положениях антенны РЛС. Если ось луча смещена относительно линии пути на угол ф, то частоты колебаний, отраженных от всех точек облучаемого участка земли, отличаются друг от друга. Наибольшее отличие соответствует точкам А и В. При этом

U^o + 2lFpCos^-00i5/2)A; fCB = fo4"2IFp cos (ф-}-®о,ь/2)/Х,

198

где W'p ~ W cos e0 — радиальная составляющая путевой скоро­ сти W.

Колебания, отраженные от разных точек, смешиваются на входе приемника и образуют биения, максимальная частота которых в дан­ ном случае равна

А/7дбтах = /сЛ—fcB = -^s‘n -у-sin ip.

Таким образом, максимальная частота биений возрастает с уве­ личением угла ф отклонения оси луча от линии пути. Если же та­ кого отклонения нет, то частоты колебаний, отраженных от точек А' и В', равны между собой и наибольшая частота биений образует­ ся при отражении от точек О и В' (или *Д') Соответственно

—720 км/ч, е0 — 70°, к = 3 см, 00)5 = 5° получим ДГдбо ~ 4 Гц),

т.е. практически нулевые биения.

Для определения угла сноса нужно изменить положение антен­ ны в горизонтальной плоскости до получения минимальной частоты биений вторичного эффекта Доплера. При этом угол по шкале пово­ рота антенны между осями антенны и самолета равен углу сноса.

Для зондирующего сигнала в виде некогерентных импульсов следует иметь в виду, что отраженные импульсы от равноудален­ ных целей имеют одинаковую (хотя и случайную) начальную фазу. Поэтому при достаточно высокой частоте повторения изменения ам­ плитуды импульсов на входе приемника за счет биений будет проис­ ходить так же, как для амплитуды непрерывных колебаний.

3.10.ОБЪЕМНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ПЕЛИ

1.Удельная ЭОП объемно-распределенных целей. К

объемно-распределенным целям, как указывалось, отно­

сятся гидрометеообразования (облака, дождь, град, снег), а также атмосферная пыль, продукты сгорания реактивных двигателей и т. д. Они создают мешающие отражения, кото­ рые относят к пассивным помехам (в отличие от активных, создаваемых различными источниками радиоизлучения), а также заметно уменьшают дальность действия РЛС. Кро­ ме того, объемно-распределенные цели в виде облака ди­ польных отражателей являются источником организован­ ных пассивных помех для противодействия РЛС противни­ ка. Все эти цели представляют собой совокупность большо­ го числа элементарных частиц, распределенных случайным образом.

Обычно, особенно в сантиметровом и миллиметровом диа­ пазонах волн, для объемно-распределенных целей имеет практическое значение только некогерентное отражение. При этом сигналы от отдельных частиц можно рассматривать

199