На сортировку / 2102172 / lek_2

ЗАНЯТИЕ 2. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

Учебные вопросы и распределение времени.

Уравнение максимальной дальности действия РЛС в свободном пространстве.

Предельная дальность прямой радиовидимости

Влияние земли и атмосферы на дальность действия РЛС

1. Местоположение летательного аппарата относительно РЛС определяется тремя пространственными координатами

- наклонной дальностью Д – расстояние от РЛС до объекта по прямой;

азимутом  – угол в горизонтальной плоскости между направлением на истинный Север и проекцией наклонной дальности;

углом места  – угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей точку стояния РЛС и цель (Ц), и проекцией этой прямой на горизонтальную плоскость.

Три принципа радиолокации.

Первый принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны способны отражаться от неоднородностей, встречающихся на пути их распространения («вторичное излучение»).

Второй принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны с помощью антенн РЛС можно сконцентрировать в узкий луч.

Третий принцип радиолокации заключается в том, что электромагнитные волны распространяются в пространстве прямолинейно и с постоянной скоростью (с = 3  10⁸ м\с).

3. Виды радиолокации

По особенностям использования радиоволн радиолокация подразделяется на:

-активную;

-активную с активным ответом;

-полуактивную;

-пассивную.

Оценить ответы и объявить оценки. Сделать выводы об усвоении материала.

Доведения темы, целей занятия и учебных вопросов;

Основная часть.

Первый учебный вопрос.

Уравнение максимальной дальности действия РЛС в свободном пространстве

Максимальная дальность действия РЛС – это предельное расстояние до цели, при котором обеспечивается обнаружение отраженного сигнала от цели на фоне шумов с заданной вероятностью.

Дальность действия РЛС в свободном пространстве (не учитывая влияния земли и атмосферы) в первую очередь зависит от основных ее параметров, отражающих свойств и размеров облучаемого объекта, т.е. цели.

Параметры РЛС

- мощность передатчика в импульсе	-	Pu
- чувствительность приемника	-	Pпр.min
- коэффициент усиления антенны	-	G
- эффективная площадь антенны	-	Sа

Параметры цели

- эффективная отражающая поверхность цели



Чувствительность приемника характеризует способность его принимать слабые сигналы (чем меньше мощность принимаемых сигналов, тем лучше чувствительность). Коэффициент усиления и эффективная площадь антенны характеризует ее фокусирующие свойства.

Предположим, передатчик РЛС находится в точке «О» (рис. 2.1, слайд 13; 18), а цель находится на расстоянии Д в точке «О».

Тогда плотность потока мощности Пц на расстоянии Д (в точке О¹) при ненаправленной передающей антенне РЛС можно найти, разделив излучаемую мощность Ри на поверхность сферы с радиусом Д, равную 4Д²

.

При направленном излучении плотность потока мощности у цели Пц возрастает в G раз. Следовательно, Пц в направлении максимального излучения будет равна:

.

Если в направлении максимального излучения антенны находится цель с эффективной отражающей поверхностью  (м²), то отраженная от цели мощность Р_отр получается равной:

.

Под эффективной отражающей поверхностью цели  понимают такую поверхность, которая при равномерном рассеивании энергии по всем направлениям дает такую же интенсивность отраженного сигнала в месте приема, как и реальная цель.

Плотность потока отраженной мощности П_отр на расстоянии Д от станции можно получить, разделив величину отраженной мощности Р_отр на поверхность сферы радиусом Д

.

Таким образом установили, что на единицу площади приемной антенны РЛС приходится плотность потока отраженной мощности, равная П_отр.

Учитывая, что эффективная площадь антенны равна Sa, м², то полная величина мощности отраженного сигнала, принятая антенной РЛС Р_пр, будет равна

.

Из последней формулы определим дальность действия РЛС

.

Максимальная дальность действия РЛС определяется минимально необходимой мощностью отраженного сигнала Р_пр на входе приемника, при которой возможно различить на экране индикатора отраженный импульс. А это есть не сто иное, как чувствительность приемника РЛС Р_пр.мин. Подставив это значение в уравнение дальности действия РЛС, получим

(1)

Данное выражение называют основным уравнением радиолокации для свободного пространства. Оно показывает зависимость дальности действия РЛС от параметров станции и характера цели.

Рассмотрим влияние технических параметров РЛС и эффективной отражающей поверхности цели на дальность действия радиолокатора.

А. Влияние параметров передатчика (Р_и)

Из уравнения (1) следует, что

,

т.е. дальность действия радиолокатора тем больше, чем больше мощность излучения Р_и. Однако корень четвертой степени показывает, что существенное увеличение дальности может быть получено только за счет очень большого увеличения мощности передатчика. Так, для увеличения Д_max в два раза мощность излучения необходимо увеличить в 16 раз (2⁴ = 16).

Б. Влияние параметров антенны (G и S_a)

В РЛС для излучения и приема энергии используется одна антенна, для которой коэффициент усиления G и эффективная площадь S_a взаимосвязаны следующим отношением

или .

Подставив в уравнение (1) значение S_a , получим

или Д _max ~.

Отсюда следует, что увеличение G является более эффективным способом увеличения Д _max.

При неизменной длине волны  увеличение G достигается увеличением эффективной площади антенны S_a, которая пропорциональна геометрическим размерам антенны S_r:

где – коэффициент использования геометрической площади антенны.

Для многовибраторных антенн k = (0,3...0,4), для параболических антенн k = (0,5...0,7).

Увеличение S_r ограничено конструктивными соображениями.

В. Влияние параметров приемника (Р_пр.min)

Чувствительность приемника Р_пр.min определяет минимальную мощность отраженного сигнала на входе приемника, при которой на выходе приемника сигнал различим на фоне шумов. Она связана с дальностью действия соотношением

из которого следует, что Д_max тем больше, чем выше чувствительность приемника (то есть меньше абсолютная величина Р_пр.min..

Г. Влияние эффективной отражающей поверхности цели ()

Эффективная отражающая поверхность цели  учитывает:

величину поверхности цели, ориентированной относительно диаграммы направленности антенны РЛС;

длину волны РЛС ;

коэффициент отражения материала, из которого выполнена цель;

форму цели.

Поскольку  сложного объекта (ракеты, самолета и т.п.) рассчитать достаточно трудно, то практически её определяют экспериментальным путем. При расчетах можно использовать следующие данные в м².

Объекты	РЛС «см»	РЛС «м»
Тяжелый стратегический бомбардировщик	30	70
Истребитель-бомбардировщик	5...8	15...20
Ракета класса «воздух-земля»:
СРЭМ	0,01...0,1	0,5...2,5
СКЭД	0,1...1,0	1,0...5,0
Беспилотный самолет-разведчик	0,1...0,2
Автоматический аэростат	0,5...0,7

Соотношение дальности действия РЛС и параметров цели показывает

, что с увеличением  дальность обнаружения увеличивается, так как увеличивается мощность отраженного сигнала.

Примечание. Указать студентам, что вероятный противник при разработке новых самолетов стремится уменьшить эффективную отражающую поверхность.

В настоящее время РЛС ПВО обнаруживают цели с минимальной отражающей поверхностью.

В Ы В О Д

Дальность действия РЛС тем больше, чем больше мощность излучения Р_и, коэффициент усиления G и эффективная площадь антенны S_a , эффективная отражающая поверхность цели  и чем меньше абсолютная величина чувствительности приемника Р_пр.min.

Наибольший эффект для увеличения Д_max дает увеличение геометрических размеров антенны G и S_a, где для увеличения Д_max в два раза достаточно увеличить площадь антенны в 4 раза. Но геометрические размеры ограничиваются конструктивными особенностями антенных устройств. Наименьший эффект для увеличения Д_max дает увеличение Р_и ,, Р_пр.min , так как для увеличения Д_max в два раза их надо увеличивать в 16 раз.

Второй учебный вопрос.

Предельная дальность прямой радиовидимости

Рассмотренное нами основное уравнение радиолокации, предназначенное для расчета дальности действия станции, справедливо только в том случае, если между станцией и целью существует прямая видимость. Причиной, ограничивающей дальность прямой видимости цели, а следовательно, и возможную дальность ее обнаружения, является кривизна земной поверхности (рис. 2.2, слайд 14, 19).

Так как радиоволны распространяются прямолинейно, то под линией горизонта (АС) образуется радиотень Если цель находится ниже линии горизонта (Ц2) , она не будет обнаружена РЛС, хотя дальность действия при прямой видимости может значительно превышать расстояние до этой цели. Обнаружены будут только те цели, которые находятся выше линии горизонта (Ц1), если расстояние до них не превышает дальность действия станции.

Предельная дальность видимости Д_пр зависит от высоты антенны h_a и высоты цели Н_ц относительно поверхности земли. Предельная дальность прямой видимости Д_пр можно определить как

(1)

где R_з - радиус земной поверхности, равный 6375 км.

Поскольку R_з во много раз больше h_a и Н_ц, то

(2)

Подставив в эту формулу величину R_з = 6375 км, получим

(3)

где Д_пр, h_a и Н_ц выражены в километрах.

При работе наземной РЛС по воздушным целям Н_ц  h_a

(4)

Таблица Д_пр для разных высот полета цели

Нц, м	500	1000	2000	3000	4000	5000	10 000
Дпр, км	77	110	155	190	220	246	348

Из формулы (4) и таблицы видно, что низколетящие цели могут быть обнаружены на меньших дальностях, чем высоколетящие.

Д_max для РЛС, работающих в системе противосамолетной обороны, не превосходит 500...600 км (Н_ц = 20...25 км. Н_ц для РЛС сверхдальнего обнаружения системы ПРО достигает 5000 км и более (Н_ц ракет = 1000 км и более. Для увеличения дальности действия наземных РЛС антенну обычно размещают на возвышенности. Формула (3) справедлива для свободного пространства без учета влияния атмосферы на распространение радиоволн.

Третий учебный вопрос.

Влияние земли и атмосферы на дальность действия рлс

В предыдущих вопросах были рассмотрены факторы, определяющие дальность радиолокации в свободном пространстве. Однако реальные условия распространения радиоволн вследствие наличия атмосферы и земли отличаются от условий распространения в свободном пространстве, что, естественно, сказывается и на дальность обнаружения РЛС Д_max.

А. Влияние земли на дальность действия РЛС

Влияние земли проявляется двояко.

Во-первых, вследствие отражения радиоволн от земной поверхности изменяется форма диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Во-сторых, из-за кривизны земной поверхности Д_max ограничивается расстоянием прямой видимости Д_пр (см. 2-й учебный вопрос).

Отражение радиоволн от земной поверхности сказывается, в основном, в диапазоне метровых волн, поскольку в этом диапазоне происходит преимущественно зеркальное отражение. При зеркальном отражении к цели приходит помимо прямого луча от станции также луч, отраженный от земли (рис. 2.3, слайд 15, 20).

Соотношение фаз прямого и отраженного от земли лучей зависит от того, под каким углом места ) по отношению к станции находится земля. Если прямая волна и волна, отраженная от цели, находятся в фазе, то дальность действия станции Д_max оказывается выше рассчитанной по формуле (1) (см. 1-й уч. вопрос), а если в противофазе, то Д_max уменьшается. При расчетах Д_max по основному уравнению радиолокации ввести поправки (коэффициенты, учитывающие влияние земли.

С учетом отраженного от земли луча ДН антенны в вертикальной плоскости приобретает лепестковый характер (рис. 2.3, слайд 15, 20).

Число лепестков, их расположение и глубина провалов зависят от высоты подъема антенны над землей (в длинах волн, то есть от отношения /h_a), поляризации волны и свойств почвы.

При идеально проводящей поверхности (гладкая морская поверхность) энергия отраженного от земли луча равна энергии прямого луча. Поэтому максимальные значения напряженности поля удваиваются, а минимальные падают до нуля. В других случаях электромагнитная энергия поглощается в земле и луч, отраженный от земли, имеет меньшую энергию, чем прямой луч (обычно Е_отр = (0,8...0,9)Е_пад). Поэтому в направлениях максимумов лепестков напряженность поля увеличивается менее, чем вдвое, а в направлениях минимумов спадает не до нуля. Лепестковым характером ДН обусловлены «провалы» при определенных углах места , в результате чего на некоторых дальностях отсутствует отраженный от цели сигнал и слежение за ней затрудняется.

При использовании в РЛС радиоволн сантиметрового диапазона происходит диффузное отражение от земной поверхности. К цели приходит только прямой луч от РЛС, что исключает различие в напряженности поля для разных углов места и лепестковый характер ДН. Поэтому для РЛС сантиметрового диапазона основное уравнение радиолокации (1) (см 1-й уч. вопрос) не требует поправок, учитывающих отражение от земли.

Влияние кривизны земной поверхности на дальность действия РЛС было рассмотрено во втором учебном вопросе, она ограничивается дальностью прямой видимости Д_пр.

Б. Влияние атмосферы на дальность действия РЛС

Влияние атмосферы проявляется в:

преломлении пути распространения радиоволн;

поглощении и рассеянии энергии радиоволн на пути их распространения.

Рефракция и сверхрефракция

Радиоволна распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью только в однородной среде, в частности, в диэлектрике с постоянным коэффициентом диэлектрической проницаемости . Между тем, по мере удаления от земли температура, влажность и давление воздуха меняются (уменьшаются), особенно в пределах первых десяти километров.

В результате, с увеличением высоты диэлектрическая проницаемость воздушного слоя уменьшается. Это приводит к преломлению пути распространения радиоволны различными слоями атмосферы по направлению к земле. Это явление получило название «явление рефракции».

Благодаря явлению рефракции дальность действия РЛС увеличивается и становится возможным наблюдение целей, находящихся ниже линии горизонта (Ц2) (рис. 2.4. слайд 16, 21).

Увеличение предельной дальности видимости Д_пр можно учесть изменением коэффициента формулы (3) (см 2-й уч. вопрос)

При так называемом стандартном состоянии атмосферы (нормальной рефракции величина R_з заменяется эквивалентным радиусом земли R_зэ = 8500 км.

R_зэ – эквивалентный радиус воображаемой земли, при котором электромагнитный луч под влиянием рефракции распространяется прямолинейно.

С учетом рефракции дальность прямой видимости Д_пр достаточно точно определяется по формуле

Для наземных РЛС, когда Н_ц  h_a , то

.

При резком уменьшении влажности и значительной разности температур и давления воздуха (по высоте) ультракороткие радиоволны огибают земную поверхность вследствие многократного отражения от нижних слоев атмосферы (рис. 2.5, слайд 17, 22).

Нижний слой атмосферы совместно с поверхностью земли образует своеобразный волновод, направляющий поток электромагнитной энергии. Это явление получило название сверхрефракции (рис. 2.5 –5). При сверхрефракции дальность обнаружения достигает порядка 2500 км при дальности прямой видимости в несколько десятков километров.

Однако атмосферные условия, вызывающие сверхрефракцию, создаются нерегулярно и сравнительно редко, обычно в летние месяцы в субтропических и тропических поясах преимущественно над водными пространствами.

Поглощение и рассеяние энергии радиоволн в атмосфере возникает из-за наличия в ней кислорода и водяных паров, то есть атмосфера не радиопрозрачна. Вследствие поглощения и рассеяния энергия, переносимая радиоволной, непрерывно убывает вдоль пути ее распространения – происходит затухание радиоволны.

Различают два вида затухания:

за счет резонансного поглощения и рассеяния электромагнитной энергии дипольными молекулами кислорода и паров воды;

за счет поглощения и рассеяния электромагнитной энергии частицами конденсированной влаги (дождь, снег, облака, туман).

На длинных волнах явлениями поглощения и рассеяния можно пренебречь. На волнах  10 см эти явления приобретают существенное значение, потери энергии радиоволн возрастают по мере укорочения длины волны.

Резонансное поглощение и рассеяние приводит к тому, что на некоторых волнах Д_max РЛС резко уменьшается. Кислород вносит особенно значительное затухание на волнах  = 0,25 см и  = 0,5 см, водяные пары – на волнах  = 0,17 и 1,3 см (рис.2.6, слайд 18, 23).

Рассеяние энергии радиоволн мельчайшими капельками воды приводит к тому, что скопление капель (облака, дождь) создает отраженный сигнал, который можно наблюдать на экране индикатора РЛС. Так, отражение от облаков начинает появляться на  = 10 см и короче. На волнах   3 см облака, дождь, снег создают сильные помехи, иногда делающие невозможным наблюдение за целью.

Затухание радиоволн в атмосфере сказывается в основном на волнах короче 30 см. На  = 10 см уменьшается дальность действия РЛС по сравнению с расчетной не выше 3...4 % даже при неблагоприятных атмосферных условиях.

Затухание энергии электромагнитных волн в атмосфере ограничивает нижний предел длин волн, используемых в РЛС.

В Ы В О Д

Максимальная дальность действия РЛС зависит от ее технических параметров, характеристик цели () , влияния земли и атмосферы.

Поскольку технические параметры станции, и тем более условия распространения радиоволн, и характеристики целей в реальных условиях боевого применения РЛС подвержены случайным изменениям, максимальную дальность действия РЛС оценивают вероятностью. Обычно указывается в формуляре РЛС значение максимальной дальности по целям определенного типа (истребителю, бомбардировщику) с заданной вероятностью.

Чтобы исключить явление дифракции (огибание цели электромагнитными волнами) и получить отражение от цели, необходимо, чтобы длина волны была меньше линейных размеров цели, то есть _мах ≤ 5 м, но чрезмерное укорочение приводит к большим поглощениям и рассеяниям радиоволн в атмосфере, поэтому λ_min > 3 см.

Таким образом, РЛС РТВ обычно работают в диапазоне волн

3 см < λ < 5 м.

При размещении РЛС на позиции следует учитывать рельеф местности. Для РЛС метрового и дециметрового диапазонов волн площадка должна быть по возможности ровной. Это способствует увеличению дальности действия РЛС и уменьшению провалов в ДНА). РЛС сантиметрового диапазона целесообразно размещать на господствующих высотах.