Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

Из (5.9.2) после замены малых приращений средними квадратическими значениями и использования соотноше­ ния (5.9.1) следует

о (^вых) ~ аи (иъх)/иъх « а • 0,525[Гвх/[7"вх = 0,525«.

Таким образом, среднее квадратическое отклонение амплитуды после логарифмического усилителя остается постоянным и не зависит от амплитуды флуктуаций входно­ го сигнала. В выходном сигнале сохраняется зависимость

среднего значения (7ВЫХ от дальности. Она исключается с помощью фильтра верхних частот — дифференцирующей цепи с постоянной времени, близкой к длительности им­ пульса от точечной цели (цепь малой постоянной времени — ЛАПВ). Цепь МПВ выполняет роль селектора импульсов по длительности: импульсы точечной цели проходят через нее с малыми искажениями, а импульсы большой длительности от протяженных целей подавляются.

После логарифмического усилителя с цепью МПВ часто включается цепь с амплитудной характеристикой вида ан­ тилогарифма, т. е. показательной функции. Это позволя­ ет восстановить контрастность изображения и предотвра­ тить потери в обнаружении, вызванные логарифмическим сжатием.

2. Датчик сигналов от гидрометеообразований. Так как логарифмический приемник вносит потери при обнаруже­ нии полезного сигнала, то обычно в приемнике использует­ ся линейный усилитель, а логарифмический усилитель включается только при действии помех от гидрометеооб­ разований. Отсюда вытекает необходимость специального датчика. Как отмечалось, сигналы, отраженные от гидро­ метеообразований (особенно от дождя), имеют значитель­ ную интенсивность и широкий спектр, т. е. обладают отно­ сительно малым интервалом корреляции. Это их свойство используется при построении датчика. В нем сигнал срав­ нивается с регулируемым порогом и преобразуется в стан­ дартный импульс — двоичный сигнал отражения от гид­ рометеообразования. Сигнал запоминается в сдвиговом ре­ гистре, охватывающем несколько (например, 8) элементов дальности. Так как сигнал протяженный, то он достаточ­ но плотно заполняет ячейки регистра. Кроме того, протя­ женность цели проверяется сравнением сигналов в двух последующих периодах повторения. В результате выраба­ тывается сигнал присутствия гидрометеообразования, ко­ торый подается на устройство выбора линейного или лога­ рифмического приемника.

350

Датчик сигналов от гидрометеообразозаний может быть использован для формирования контуров дождя. Для это­ го двоичный сигнал, снимаемый с выхода датчика, пода­ ется на счетчик, который показывает, сколько раз этот сигнал появлялся в выделенном элементе пространства (так, если зона обзора содержит 64 элемента дальности и

порог, вырабатывается сигнал присутствия дождя и запол­ няется ячейка памяти, соответствующая данному элемен­ ту пространства. Полное заполнение памяти происходит за один оборот антенны РЛС кругового обзора, после че­ го устройство памяти вырабатывает сигнал, характеризую­ щий контуры дождя.

5.10.ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

ВРАДИОЛОКАЦИИ

1.Уровень взаимных помех. РЛС подвергаются дейст­ вию помех от соседних РЛС или других радиосредств и са­

ми становятся источником помех. Разнос по частоте *всегдане предотвращает взаимные помехи, так как частотный спектр может быть значительно шире полосы пропускания прием­ ника. Произведем оценку действия взаимных помех. Мощ­

где Рп и Пр — мощность мешающего передатчика и плот­ ность потока мощности у РЛС на основной частоте; рп — отношение мощности помехи к мощности Рп на основной частоте; Оп — коэффициент усиления антенны радиообо­ рудования, создающего помехи; А пр — эффективная пло­ щадь приемной антенны; Оир — ее коэффициент усиления; И пр — величина ослабления действия помехи в приемнике; D — дальность.

При оценке коэффициента р,п следует учесть уменьше­ ние мощности спектральных составляющих бокового из­ лучения самого сигнала, а также величину ослабления их

351

Здесь первый множитель — огибающая боковых лепестков (sin лЛ/Тц/лЛ/Тц)2*(А/ — изменение частоты относительно основной, а ти — длительность импульса), а второй — ха­ рактеристика эквивалентного контура передатчика, где Q = /0/Л/0 (/0 — основная частота, Д/о ж 2/тит1п, а тит1п — минимальная длительность импульса для данного электрон­ ного устройства). Коэффициент рпр определяется соотно­ шением полосы пропускания и длительностью помехового импульса, а также смещением частоты настройки приемни­ ка относительно помехового сигнала. Для вращающихся антенн РЛС и источника помехи следует учитывать макси­ мальные коэффициенты усиления антенн. Что касается изменения коэффициента усиления'для излучения на гар­ мониках, то можно исходить из того, что затухание волно­ вода не меняется, а так как ширина луча облучателя ~\lf,

— 74 дБ. Так как приемник РЛС согласован с импульсом, длитель­ ность которого в три раза меньше длительности мешающей РЛС, то его полоса в три раза уже, т. е. можно принять рПр — 0,33. Рас­

2. Подавление несинхронных импульсных помех. Наи­ более характерными помехами являются импульсные, вы­ званные работой соседних РЛС или других радиоустройств с импульсной модуляцией. Различают синхронные и несин­ хронные импульсные помехи. Появление первых малове­ роятно. Они имеют частоту повторения, равную или крат­ ную частоте повторения РЛС, и для уменьшения их влия­ ния надо применять мгновенную (быстродействующую) ав­ томатическую регулировку усиления (МАРУ) и селекцию по длительности. Несинхронные помехи имеют частоту повторения, отличающуюся от частоты повторения РЛС. Их можно разделить на регулярные и хаотические импульс­ ные помехи (ХИП). Первые возникают при малом числе ис­ точников (одном-двух) с постоянной частотой повторения.

352

На экране ИКО они имеют вид характерных спиральных засветок (рис. 5.57, а). При большом числе независимых источников (например, свыше пяти) ХИП представляет со­ бой поток сигналов с постоянными средней частотой повто­

рения Fa и средней длительностью ти.

Рис. 5.57. Действие несинхронной помехи:

а — экран ИКО без ПГФ, б — экран ИКО при действии ПГФ

Рис. 5.58. Зависимость вы­ игрыша в пороговом сигна­ ле накопителя для смеси пачки нефлуктуирующих импульсов гауссовского шу­ ма и ХИП с постоянной ам­ плитудой UB от числа им­ пульсов сигнала N для D=

—0,5, F=10_9 при коэффи­

Для защиты от несинхронных импульсных помех при­ меняются устройства межпериодной обработки, обладаю­ щие свойством селекции по периоду повторения импульсов. К ним относятся ПГФ, выполняемые в виде синхронных нако­ пителей (§ 5.2, 5.3), а также обнаружители с движущимся окном или программные обнаружители. Это иллюстриру­ ется рис. 5.57, б, где показан экран ИКО при использовании

353

ПГФ для той же регулярной несинхронной помехи, что и» на рис. 5.57, а (большее число целей на рис. 5.57, б по сравнению с рис. 5.57, а объясняется тем, что ПГФ «вытя­ гивает» слабые сигналы из шумов).

Полосовой гребенчатый фильтр является наиболее эф­ фективным из указанных средств борьбы с взаимными по­ мехами. На рис. 5.58 показан выигрыш в величине порого­ вого сигнала при различных параметрах полезного сигнала и помек. Предполагается, что некогерентный накопитель состоит из квадратичного детектора и рециркулятора. Как видно из рисунка, выигрыш возрастает с увеличением числа импульсов N и весового коэффициента р и уменьшается с ростом интенсивности помех, т. е. относительной амплиту­

ды b ~ иа/ош и коэффициента заполнения s—FnTH (Un — амплитуда ХИП, ош — среднее квадратическое значение шума).

Следует обратить внимание на кривые, соответствующие b = 0 (смесь пачки из N импульсов полезного сигнала и шумов). Их отличие от кривых рис. 5.3, а объясняется тем, что последние относятся к прохождению сигнала и шумов только через ПГФ — рециркулятор, т. е. характеризуют когерентное накопление. В данном же случае имеет место некогерентное накопление, отличие которого рассмотрено в § 4.6.

Для защиты от импульсных помех, совпадающих по час­ тоте с сигналом, но меньшей длительности, и особенно в РЛС с непрерывным излучением, широко применяется схе­ ма ШОУ (широкополосный фильтр — ограничитель — узко­ полосный фильтр). Так как после ограничителя устраня­ ются амплитудные различия между сигналами, помехами и шумами, то в узкополосном фильтре для простых сигналов используются лишь различия по длительности. Если этот фильтр согласован с сигналом, то помеха приобретает вид растянутых импульсов меньшей амплитуды и происходит нормирование импульсных помех к уровню шума.

В случае сложных сигналов (гл. 7) можно после огра­ ничителя использовать фазовые отличия сигнала и.помехи. Кроме того, для простых импульсных сигналов и помех большой длительности применяется схема РОС (расшире­ ние—ограничение—сжатие), когда сигнал сначала расши­ ряется и превращается в линейный частотно-модулирован- ный (ЛЧМ) (§ 7.2, п. 6), а после ограничения сжимается фильтром. При этом длительные помехи, обладающие срав­ нительно узким спектром, не подвергаются растяжению и сжатию и, остаются после ограничения на уровне шума,

354

Глава 6

ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РЛС

6.1. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РЛС В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЛЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЦЕЛЕЙ

1. Уравнение дальности в свободном пространстве.

Дальность действия РЛС является ее важнейшей характе­ ристикой. Уравнение дальности в свободном пространстве (т. е. без учета влияния земли и поглощения в атмосфере) для точечной цели устанавливает связь между всеми основ­ ными параметрами РЛС.

Рис. 6.1. К выводу урав­ нения дальности

Рассмотрим точку Ц на расстоянии D от РЛС (рис. 6.1). Если бы антенна была изотропной, то вся излучаемая мощ­ ность Ризл равномерно распределялась бы по поверхности сферы 4л£)2, откуда плотность потока мощности прямой электромагнитной волны в точке Ц

Щ = Ризл/4п/)2.

Вследствие направленных свойств антенны плотность

(обычно КПД антенны Ча — 0,9 ...0,95).

Вводя коэффициент усиления антенны согласно форму­ ле (3.1.3), получаем на -основании (3.1.3) и (6.1.2)

Пц - РпС/4л£)2. (6.1.3)

Если бы в точке Ц находилась приемная антенна с эф­ фективной площадью А, то на вход приемника поступала бы мощность

355

Это выражение называется, уравнением радиосвязи в сво­ бодном пространстве. При этом мощность, поступающая в приемник, обратно пропорциональна квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Для радиолокации с пассивным ответом в точке Ц нахо­ дится не приемная антенна, а цель. Ее отражающие свой­ ства учитываются посредством ЭОП. Рассмотрим сперва лишь точечные цели, у которых ЭОП не зависит от дально­ сти. Из (3.1.1), (3.1.2) и (6.1.3) плотность потока мощности у РЛС

Полагая, что используется импульсная одноантенная РЛС, воспользуемся известным из курса «Антенные уст­ ройства» соотношением

Полученное выражение является уравнением радиолока­ ции в свободном пространстве. В отличие от уравнения ра­ диосвязи (6.1.4) мощность на входе приемника в рассмат­ риваемом случае точечной цели обратно пропорциональна не квадрату, а четвертой степени расстояния. Это объясня­ ется тем, что в радиолокации плотность потока мощности с расстоянием уменьшается дважды: в направлениях РЛС — цель и цель—РЛС. Таким образом, с энергетической точки зрения имеет место гораздо менее выгодное соотношение, чем при радиосвязи.

Если на входе приемника действует пороговый (мини­ мально различимый) сигнал, соответствующий заданным

356

Данное уравнение является универсальным и примени­ мо как к импульсному методу (Ра и Рпрт!п) — импульсные мощности, так и к непрерывному (Рп и Pnpmin — средние мощности).

2. Анализ уравнения дальности. Дальность радиолока­ ционного наблюдения в свободном пространстве является довольно слабой функцией так называемого энергетичес­ кого потенциала Рп/Епрт1а. Для импульсной РЛС при не­ изменных остальных параметрах

где Еи и Enpmin — энергии импульса передатчика и поро­ гового импульса на входе приемника.

Для увеличения дальности в два раза требуется повыше­ ние энергетического потенциала в 16 раз, что соответствует 10 1g 16 = 12 дБ.

Чувствительность приемника (при отсутствии внешних помех) Pnpmin — &рЕш (4.2.23) ограничивается мощностью внутренних шумов Рш (4.2.24) и коэффициентом различи­ мости &р, определяемым особенностями обработки в прием­ нике. При квазиоптимальной внутрипериодной обработке (реализация СФ для одиночных импульсов) полоса линей­ ной части приемника выбирается оптимальной согласно (4.3.7), так что из (4.2.24) имеем Pnpmin ~ 1ДИ и формула (6.1.11) принимает вид

Что касается межпериодной обработки, то в зависимости от того, является ли она когерентной или некогерёнтной при большом числе импульсов N [см. приближенные фор' мулы (4.6.1), и (4.6.2)1, &рк ~ 1/N, &рнк ~ \FVn, откуда после подстановки в PnpmIn Я (6.1.11)

(6.1.13)

Зависимость типа (6.1.12) остается в силе и для непре­ рывного метода. При этом Ра = Рср, а длительность сигна­ ла ограничена временем облучения, так что Д/пропт

1/^обл и npmin 1/Гобл, откуда

(6.1.14)

т. е. при заданном времени Тобл дальность зависит только от средней мощности.

357

Аналогичная зависимость имеет место и для иМпулЬсйдго метода. Так как согласно (1.2.9) N = To5nFn, то, как следует из (6.1.13), для когерентной обработки, а также для

Следует отметить, что при импульсах достаточно боль­ шой длительности оптимальная полоса пропускания долж­ на стать настолько узкой, что стабильности передатчика и гетеродина приемника могут оказаться недостаточными для предотвращения уходов частоты сигнала за пределы поло­ сы пропускания приемника. Это является причиной необ­ ходимости расширения полосы пропускания по сравнению с (4.3.7), что приводит к уменьшению максимально возмож­ ной дальности.

Чувствительность приемника оценивается как отноше­ ние мощности эталонного сигнала, в качестве которого JjacTo берется мощность 1 мВт, к пороговой мощности, причем это отношение выражается в децибелах. Таким образом, чувствительность (в децибелах на милливатт) 7? = = 10 lg (10_3/Pnpmln), откуда с помощью формулы (6.1.10) получаем, что при изменении чувствительности с 7? на Ri

Зависимость дальности от вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги D и F можно найти посред­

358

В соответствии с определениями коэффициента усиле­ ния антенны и ее эффективной площади эти величины пропорциональны значению диаграммы направленности (ДН) по мощности, т. е. квадрату ДН по напряженности поля в соответствующем направлении. Таким образом,

G (Р, 8) = GmFi (Р, 8); А (Р, е) = AmF% (р, е), (6.1.18)

где Gm и Ат — максимумы коэффициента усиления и эф­ фективной площади антенны; Fe (Р, е) — ДН по напря­

женности поля в нормированном виде, т. е. ДЕтах(Р, е)=1 • Отсюда имеем

D0(p,8)=D0mF£(P,e), (6.1.19)

т. е. дальность прямо пропорциональна ДН по напряжен­ ности поля.

Здесь Dom соответствует дальности в направлении мак­

непосредственно из определения коэффициента направлен­ ного действия:

радианах или в градусах) близки к углам, ограниченным точками половинной мощности.

Как известно, ширина луча по точкам половинной мощ­ ности

где dK — линейный размер раскрыва антенны, a v — коэф­

фициент, зависящий от распределения поля в раскрыве (для зеркальных антенн v = 60° ...80°).

Сопоставление (6.1.22) и (6.1.21) для круглого раскрыва антенны диаметром rfA показывает, что имеет место соотно­ шение

D0~dA. (6.1.23)

Это же соотношение может быть получено и другим пу­

фициент использования площади раскрыва (например, для

359