Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

ЬблучаёМ

Рис. 6.6. Форма оги­ бающей статистиче­ ски усредненного им­ пульса, отраженного от земной поверхно­ сти, на входе прием­

ника

т — 1 (диффузное отражение) и п = 0 (изотропная антенна). Как видно, после отражения форма импульса стала непрямоугольной. Фронты и срез импульса оказались пологими. Крутизна фронта, определяющая точность отсчета высоты, тем больше, чем больше параметр q ~ т 4~ п 4~ 2, т. е. чем уже ДОР (больше т) и чем уже диаграмма направленности антенны (больше п). При зеркальном отражении (т -> оо) форма импульса остается прямоугольной.

Найдем теперь уравнение дальности радиовысотомера. Макси­ мальное значение мощности статистически усредненного импульса достигается при t = ти. Учитывая, что ги < 2Н/с, представим (6.3.10) в виде биномиального ряда и отбросим члены второго и более высо­ кого порядка малости. Тогда Рпр (ти) — P0qcrn/2H и с учетом форму­ лы (6.3.9).

Ря G/п То № с ^и/2

Таким образом, в рассматриваемом случае широкого луча и Короткого импульса мощность на входе приемника радиовысотомера оказывается обратно пропорциональной кубу высоты и не зависит от формы ДОР.

3. Энергетические соотношения для объемно-распреде­ ленных целей. Рассмотрим различные случаи заполнения луча объемно-распределенной целью, показанные на рис. 3.46: неполное заполнение луча [формула (3.10.12)], полное заполнение луча [формула (3.10.11)], полное запол­ нение в одном направлении и неполное в другом [формула

370

(3.10.13)1. С помощью уравнения дальности (6.1.8) находим

р^С2^М^и/2)^5/4

при полном заполнении луча в одном направлении и непол­ ном в другом

Таким образом, функция Рпр (D) изменяется как D~\ т. е. как для точечной цели при неполном заполнении луча; как D~z при полном заполнении луча (см. аналогичный случай для поверхностно-распределенной цели, п. 1) и как D-s в комбинированном случае. Такую зависимость легко понять: в первом случае размеры цели не меняются с рас­ стоянием, а во втором они растут пропорционально D8, 'в третьем — пропорционально D.

6.4. ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА УРАВНЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ

1. Дальность действия РЛС с учетом влияния земли.

Ранее было показано (6.1.19), что дальность в свободном пространстве Do = DomFE (е), где Dom — дальность в на­ правлении максимума ДН без учета влияния земли. Так как результирующая ДН антенны с учетом влияния зем­ ли характеризуется произведением Fe (е^зем (®) (3.7.10), то дальность

Как уже пояснялось в§ 3.7, п. 4, для малых углов сколь­ жения (т. е. углов места цели е) коэффициенты отражения для горизонтальной и вертикальной поляризаций совпа­ дают, и интерференционный множитель земли определя­ ется формулой (3.7.12), т. е.

371

поэтому дальность для гладкой водной поверхности (мо­ дуль коэффициента Френеля У? = 1) может достигать 2Z)0 (для гладкой поверхности суши 7? « 0,9, так что макси­ мальная дальность равна примерно 1,9 Do).

Лепестковый характер зависимости дальности от уг­ ла места е, являющийся результатом интерференции, ста­ новится малозаметным, если снижается интенсивность из­ лучения в сторону земли по сравнению с главным лучом. Это объясняется тем, что обычно Fe (—е) < Fe (е) (несим­

вующий угол места определяется из условия sin е3 = Х/1&г. Например, для неровности 1 м на расстоянии 100 м, для которой угол места е3 = 0,57°, имеем, что при X = 0,23 м угол е3 « 0,82°, т. е. интерференция быстро исчезает для е > е3.

Влияние земли может привести к заметному уменьшению дальности действия РЛС по низколетящим целям. Это по­ ясняется рис. 6.7, на котором изображен нижний лепесток |ДН Гзем (е). Из рисунка видно, что для углов 8 < ег, где 8г соответствует условию F3eM (е)= 1, дальность с учетом земли меньше, чем в свободном пространстве. Для е < ех

где Н — высота цели над горизонтом, a D3eM = Н sin е — наклонная дальность с учетом влияния земли.

372

Решая полученное уравнение относительно дальности £)аем, получаем

т. е. дальность определяется как корень восьмой степени из величины энергетического потенциала РЛС Рпр/^иртш- Чем ниже находится цель, тем труднее ее обнаружить.

В этом случае целесообразно либо увеличить отношение ftA/X, либо по возможности исключить влияние земли. Для некоторого повышения дальности можно, в частности, ис­ пользовать позицию РЛС с уклоном в направлении пред­ полагаемых низколетящих целей. Это вызывает наклон максимума первого лепестка на такой же угол.

2. Радиолокационный контраст цели на фоне земной по­ верхности. Для выделения сигналов воздушных целей на фоне помехи в виде отражений от земли требуется достаточ­ ное отношение мощности сигнала Рпрс к мощности помехи Рпрп, которое назовем радиолокационным контрастом. Из (6.1.8) и (6.3.1) следует, что

Из формулы (3.7.3) следует, что как для моря, так и для суши сохраняется достаточно большое, близкое к постоян­

размер неровностей. Поэтому действие отражений от земли можно считать ограниченным предельным расстоянием

D0Tp = 4/i Ji/K (ЬА.7)

Данная оценка применима также для случая бортовых РЛС при обнаружении воздушных целей на фоне отражений от земной поверхности. При этом в формуле (6.4.7) h А заме­ няется на высоту полета Н. Значения <гуд для некоторых поверхностей определяются по формулам (3.8.9) и (3.8.30).

3. Некоторые способы уменьшения влияния земли. На сантиметровых волнах из-за диффузного рассеяния поле от­ раженной волны в зеркальном направлении заметно ослаб­ ляется. Кроме того, РЛС сантиметрового диапазона имеют обычно узкую ДН, что значительно уменьшает излучение

373

в сторону земли. Поэтому здесь, как правило, земля не ока­ зывает заметного влияния на дальность действия и РЛС ра­ ботает прямым лучом. Такая РЛС должна лишь иметь ми­ нимальные углы закрытия, лежащие внутри рабочего сек­ тора станции, а также следует избегать размещений в не­ посредственной близости от антенны местных предметов, искажающих ДН.

Для устранения влияния крупномасштабных препятст­ вий следует предусматривать угол возвышения около 0,5° между нижним краем ДН и препятствием. Другой рекомен­ дацией, касающейся размещения антенны, может быть пре­ вышение на «10Х низа рефлектора антенны над локальной неоднородностью, расположенной по крайней мере не бли­ же границы ближней и дальней зон фбз = где б/дв — вертикальный размер рефлектора).

В РЛС дециметрового и метрового диапазонов земля оказывает заметное влияние на ДН, в целом ухудшая ее. Это связано с тем, что практически удвоение дальности изза неидеальности земли и несимметричности ДН не полу­ чается. Вместе с тем сохраняются такие факторы, как про­ валы ДН, непостоянство ее для различных азимутов, умень­ шение дальности действия для низколетящих целей.

Для ликвидации лепестков, вызванных интерференцией прямого и отраженного сигналов, следует устранить излу­ чение вдоль земли. В связи с трудностью получения соот­ ветствующей ДН можно в некоторых случаях углубить антенну так, чтобы низ ее рефлектора или даже фокальная ось лежали в плоскости земли. Разумеется, это сокращает дальность прямой видимости. Углубление антенны РЛС требует освобождения окружающей территории от местных предметов.

Влияние сигналов, отраженных от земли и местных пред­ метов, можно ослабить путем увеличения угла места антен­ ны, однако это связано с уменьшением зоны обнаружения (см. § 6.5) под малыми углами места. В связи с этим иногда можно рекомендовать расположение вокруг РЛС специ­ ального дифракционного экрана. Такой экран представляет собой поверхность из отражающего или поглощающего ма­ териала, ослабляющего интерференцию при малых углах места. Ослабление отраженного сигнала может при этом достигать 10 ...15 дБ.

-Некоторые направления провалов ДН могут быть исклю­ чены с помощью многочастотных РЛС. Пусть в РЛС при одной и той же антенне используются две длины волны и %2- Для исключения провала ДН их следует выбрать так,

374

чтобы минимум'одной ДН соответствовал максимуму дру­ гой. Согласно (3.7.13) и (3.7.15) требуется, чтобы kk^h^ — = (2k + 1)Х2/4ЛА, откуда k = Х2/2 (^ — Х2). Например,

ществляется при угле еот — 3,4°.

Следует отметить, что в большинстве случаев ДН с мно­ гочисленными узкими лепестками предпочтительнее, чем с малым количеством широких лепестков, так как для цели, летящей на одной высоте, непросматриваемые зоны полу­ чаются менее протяженными. Что касается влияния узких лепестков, оно сводится к флуктуациям, подобным тем, какие дает сложная цель.

В заключение следует отметить, что лепестковая струк­ тура ДН может иметь место и в бортовых РЛС. Особенно это касается углов места, близких к горизонту. Однако ле­ пестки чрезвычайно узкие, что приводит к быстрым флуктуа­ циям, накладывающимся на флуктуации ЭОП цели.

6.5.ЗОНА ВИДИМОСТИ РЛС

1.Общие сведения. Зоной видимости называется часть воздушного пространства, внутри которого обеспечивается обнаружение определенных целей с вероятностью правиль­ ного обнаружения не менее требуемой при заданной веро­ ятности ложной тревоги. Как правило, пользуются сече­

нием зоны видимости в различных плоскостях. Наиболее важным для наземных РЛС является сечение в верти­ кальной плоскости, проходящее через точку установки ан­ тенны РЛС и называемое диаграммой видимости. Она ха­ рактеризует зависимость дальности обнаружения от высо­ ты или угла места цели.

Поверхность, ограничивающая зону видимости в сфе­ рической системе координат, определяется по формуле (6.1.19), а в полярной системе координат D, е (с учетом влия­ ния земли) — по формуле (6.4.1). Более удобной для изоб­ ражения оказывается прямоугольная система координат Н, D, в которой могут быть нанесены прямые угла места, по­ лученные из соотношения sin е = HID. Из формулы (6.4.1) получим

■^зем И£ ( arcsin НIDзем)Рзем ( arcsin НЮ^см)^

(6.5.1)

что и позволяет построить диаграмму видимости И — / (D) при заданных D, F (индекс «зем» для краткости опущен),

375

причем Dom определяется, как описано в § 6.1, п. Й (см. так­

же § 4.6, п. 4).

Рассмотрим теперь некоторые характерные особенности диаграммы видимости. На рис. 6.8, а изображена диаграм­

ма направленности (ДН) в плоскости угловой координа­ ты а (например, е или р). Из формулы (6.1.19) вытекает, что геометрическим местом расположения точечных изот­

Рис. 6.8. Диаграмма направленности (а) и геометрическое место расположения одинаковых целей (б), при котором отраженные сиг­ налы одинаковы. А — точка расположения РЛС

Рис. 6.9. Косекансные ДН

ропных целей с одинаковыми ЭОП, при котором макси­ мальная дальность обнаружения одинакова, в полярной

вательно, для получения одинаковой максимальной даль­ ности обнаружения целей, расположенных на одной и той же высоте, требуется, согласно сказанному выше, чтобы ДН в полярной системе координат имела в пределах неко­ торых крайних углов emln, emax горизонтальный участок (рис. 6.9, а). Тогда одинаковые цели Цъ Ц% дадут одинако­

вые амплитуды отраженных сигналов. В случае же целей с различными отражающими свойствами амплитуды отра­ женных сигналов будут зависеть от отражающих свойств

376

цели, но не от дальности. Это помогает оценить размеры цели.

Аналогичное явление происходит при облучении земной поверхности. Здесь для получения одинаковых амплитуд отраженных сигналов от одинаковых целей на земной по­ верхности, находящихся на разной дальности, требуется, чтобы нижний участок ДН был горизонтальным (рис. 6.9, б).

Для аналитической записи основного горизонтального участка ДН по напряженности поля Е (е) в полярной сис­

теме координат воспользуемся рис. 6.9, а, откуда следует, что Е (е) = К esc е. Такая ДН носит название косекансной.

В нормированном виде при emln < е ■< етах она записыва­ ется как

лей требуемая для обеспечения одинаковой дальности (оди­ наковой мощности сигнала на входе приемника) косеканс-

ная ДН Fe (е) отличается от случая отражения от диффуз-

4У-------

ной поверхности (6.3.3) множителем у cos е.

Диаграмма видимости (6.5.1) определяется путем рас­ чета, однако, как правило, все факторы, влияющие на мак­ симальную дальность действия и на результирующую ДН, учесть трудно, так что окончательная корректировка зоны видимости производится путем облета РЛС. На рис. 6.10 показаны реальные диаграммы видимости некоторых РЛС УВД.

мальная дальность уменьшится в п раз до D0/n. В этом слу­

чае при прочих равных условиях (т. е. при тех же полной излучаемой мощности, способах обзора и обработки) коэф­ фициент усиления антенны согласно уравнению радиоло­ кации (Do ~ y^G) падает, как G ~ 1М2. Учитывая, что G ~ 1/0е0р, угол зоны видимости возрастает до п20е. Таким

977

образом, площадь диаграммы видимости остается той же:

(D0/n)Wej2 = Dl9e/2.

Если теперь учесть азимутальный размер зоны видимости Do0fi, то полный объем, просматриваемый при обзоре, V ~ ~(ZW2)DO0P, откуда V - D03IG - Dg/D§ - Do, т. е. полный объем пропорционален радиусу зоны видимости с постоянной площадью в вертикальной плоскости.

Рис. 6.11. Постоянство площа­ ди диаграммы видимости

Из постоянства площади диаграммы видимости РЛС еледует, что при увеличении потолка зоны до 2/7, дальность ее уменьшается до Do/2, откуда просматриваемый объем V также уменьшается вдвое.

3. Учет кривизны земной поверхности. Кривизна зем­ ной поверхности ограничивает предельную дальность-РЛС дальностью прямой видимости, которая, как известно, рав­ на

378

Так как обычно Н >ЛА, то £Пр ~ 1^22?3/7 или Dnp «

«113}О/ км. С учетом нормальной рефракции (см. § 6.2,

п.1) следует пользоваться эквивалентным радиусом Земли

2?зэ = 42?з/3, откуда Dnp3 ~ км. Кроме того, кри­ визна земной поверхности приводит к уменьшению дально­ сти обнаружения цели Ци пролетающей на одной и той же высоте над поверхностью земли, по сравнению с целью Ц2, которая находится на одной и той же высоте над пло­ скостью горизонта. Это связано с тем, что первая цель пе­ ресекает границу показанной на рис. 6.12 диаграммы види­ мости на более близком расстоянии. Вместе с тем цели, скрытые за горизонтом, в обычных условиях вообще не об­ наруживаются.

Связь между высотой цели над горизонтом Нг и истин­ ной высотой Н определяется с помощью рис. 6.12 следую­ щим образом:

RI 4- D2 — 2Я3 D cos (90° + е) = (Я3 + Я)2.

Учитывая, что Н < R3, находим

Н « D sin е 4- */2RD 3 Нг + Dz/2R3t

т. е. поправка

Чтобы учесть кривизну Земли, после построения обыч­ ной диаграммы видимости в прямоугольных координатах //, D надо провести в масштабе дуги равных высот 77, соот­ ветствующие радиусу земли R3s (рис. 6.10, а). Другой способ основан на том, что все точки зоны видимости, а также точки линий равных углов места приподнимают на. величину высотной поправки Н —Нг, так что координат­ ная сетка остается прямой, а линии равных углов места искривляются.

Следует отметить, что кривизна земли вызывает еще сфе­ рическую расходимость при отражении и дифракцию. Сфе­ рическая расходимость в пределах площади вблизи антен­ ны, участвующей в формировании отраженного луча, ма­ ла. При этом большее влияние оказывает не кривизна Зем­ ли, а рельеф местности. Поэтому влиянием этого фактора на диаграмму видимости можно в первом приближении пре­ небречь. То же относится к дифракции на очень высоких частотах радиодиапазона.

379