Радиолокационные станции. Основные характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Радиолокационные станции. Основные характеристики

Одним из важнейших элементов радиотелеметрического комплекса зондирования атмосферы являются специальные наземные радиотехнические устройства, которые и должны определять местоположение измерительного прибора в пространстве, а также принимать и осуществлять обработку измерительного канала.

Можно выделить три основных типа радиотехнических устройств, используемых в радиотелеметрических комплексах зондирования атмосферы:

1. радиопеленгационные станции, позволяющие при наличии измерительного сигнала определить угловые координаты объекта в пространстве (как правило, вертикальный и азимутальный углы), высота объекта вычисляется косвенным образом, например, по измеренному давлению;

2. радиолокационные станции, позволяющие определить угловые координаты объекта в пространстве и наклонную дальность до него, а также осуществить прием и обработку измерительных сигналов;

3. ОМЕГА-станции, позволяющие на основе принятого измерительного сигнала, осуществить вычисление координат объекта в пространстве, а также необходимую обработку измерительных сигналов.

Наиболее широкое распространение при зондировании атмосферы получили радиолокационные и ОМЕГА-станции. Об использовании ОМЕГА-станций уже говорилось ранее (см. гл. 2); в данном разделе рассмотрим радиолокационные станции (РЛС).

Радиолокационные станции используют для производства радиолокационных наблюдений электромагнитные волны. В основе радиолокационного наблюдения лежат следующие свойства электромагнитных волн:

а) отражение волн от объектов, физические свойства которых отличаются от свойств окружающей среды;

б) постоянство скорости распространения волн в однородной среде;

в) прямолинейность распространения волн в однородной среде;

г) возможность концентрации излучения и приема электромагнитных волн в узких секторах.

Импульсная РЛС (рис. 4.4) включает в себя передатчик, приемник, антенно-фидерную систему, блоки дальности, угловой автоматики, счета, передачи и регистрации данных, а также энергопитания.

Передатчик формирует мощные короткие высокочастотные импульсы электромагнитной энергии.

Антенна-фидерная система предназначена для передачи мощных высокочастотных импульсов с выхода передатчика к антенне и их излучения в пространство, для формирования направленных свойств антенны, а также для приема отраженных или излученных высокочастотных сигналов и подведения их ко входу приемника. В современных РЛС для излучения и приема высокочастотных сигналов используется одна антенна. Переключение антенны с выхода передающего устройства в режиме излучения на вход приемника в режиме приема осуществляет антенный переключатель.

Приемник предназначен для усиления принятых высочастотных сигналов до необходимой величины, обеспечивающей работу всех других элементов РЛС.

Блок угловой автоматики позволяет определить положение антенны в пространстве, а тем самым измерять угловые координаты объекта в пространстве.

Блок дальности (иногда называют синхронизатором) формирует пусковые импульсы, с помощью которых осуществляется согласование работы во времени всех блоков станции и выполняется измерение наклонной дальности до объекта.

Блок счета выполняет счет измерительных сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей в процессе зондирования атмосферы.

Блок передачи и регистрации данных объединяет потоки всех видов измерительной информации с целью ее регистрации, обработки, а также передачи потребителям.

Система энергопитания обеспечивает работу всей радиолокационной станции электрической энергией.

Работа РЛС и особенности ее использования определяются соответствующими техническими и тактическими характеристиками.

Технические характеристики

Длина волны (несущая частота) высокочастотных колебаний X является одной из основных характеристик РЛС. При выборе длины волны учитывают характер распространения и рассеяния электромагнитных волн, возможности конструирования антенн, возможности генерирования высокочастотных колебаний большой мощности и приема измерительных сигналов. Обычно выбор длины волны РЛС обычно производится компромиссно, учитывая множество факторов. Отечественные РЛС, используемые для зондирования атмосферы, как правило, работают в свехвысокочастотном (СВЧ) интервале с использованием несущей частоты 1782.5 мГц, что примерно соответствует длине волны около 17 см.

Излучаемая мощность. При использовании РЛС различают среднюю импульсную мощность передатчика (Ри) за время длительности импульса ? и среднюю мощность передатчика (Рср) за период повторения импульсов Тn которые связаны между собой соотношением

Для обеспечения большой дальности действия РЛМ мощность излучения должна быть большой; в современных системах зондирования она составляет сотни киловатт.

Длительность излучаемых высокочастотных импульсов Т оказывает существенное влияние на работу РЛС. С точки зрения обеспечения большей дальности действия РЛС, с одной стороны, целесообразно иметь большие значения длительности импульсов, что обусловлено возможностью сужения полосы пропускания радиолокационного приемника, приводящего к повышению его чувствительности, а с другой стороны, малые значения длительности импульсов позволяют реализовать большие значения импульсной мощности, лучшее разрешение в пространстве, уменьшение, так называемой, «мертвой зоны» и др. Действительно, длительность импульсов определяется следующими факторами:

- максимально допустимой средней мощностью высокочастотного передатчика РЛС, т. к. для него необходимо выполнение очевидного условия

- размером «мертвой зоны» Rмин

В РЛС зондирования атмосферы длительность зондирующих импульсов обычно составляет величину порядка 1 мкс.

Частота повторения излучаемых импульсов. Выбор частоты повторения импульсов Fn производится в соответствии с максимальной дальностью действия РЛС Rмакс, скоростью обзора пространства и необходимой величиной отношения сигнал/шум. Минимальное значение частоты повторения импульсов выбирается так, чтобы длительность периода излучения импульсов была бы не меньше времени запаздывания сигналов, отраженных от самой удаленной цели, т. е. необходимо, чтобы выполнялось условие

Если ввести, так называемый, коэффициент запаса по периоду повторения kp, то соотношение следует переписать в виде

При определении максимального значения частоты повторения импульсов необходимо учитывать, что для обеспечения уверенного обнаружения объекта необходимо, чтобы при обзоре пространства от него последовательно пришло несколько отраженных импульсов:

где ? - ширина диаграммы направленности антенны; ?- угловая частота сканирования диаграммы направленности антенны. Тогда

Если минимально необходимое для уверенного обнаружения цели число отраженных импульсов обозначить через Nmin, то (4.17) можно переписать в виде

Таким образом, частота повторения излучаемых импульсов в импульсных РЛС должна выбираться в соответствии с соотношением

Обычно частота следования зондирующих импульсов составляет сотни герц.

Характеристики диаграммы направленности антенны. Направленные свойства антенны характеризуются с помощью диаграммы направленности антенны, а численно - коэффициентом направленного действия и шириной диаграммы направленности.

Диаграммой направленности антенны для моностатических систем (излучающая и приемная антенны совмещены) называется зависимость значений мощности (излучаемой или принимаемой) от направления ее излучения или приема. Обычно пользуются нормированными диаграммами направленности, представляющими собой отношение соответствующей мощности электромагнитной волны к ее значению в направлении максимума.

Ширина диаграммы направленности определяется углом раствора диаграммы на уровне половины от максимальной мощности (0.5 Рмакс) или на уровне 0.707 максимальной амплитуды ВОЛНЫ (Емакс).

Коэффициентом направленного действия антенны в заданном направлении D называется величина, показывающая, во сколько раз плотность потока мощности в данном направлении отличается от среднего значения плотности потока мощно-

Очевидно, что в направлении максимума диаграммы направленности имеет место максимальное значение коэффициента направленного действия (D). Иногда вместо коэффициента направленного действия используют коэффициент усиления антенны:

где Г)а - коэффициент полезного действия антенны.

Между коэффициентом направленного действия антенны в направлении максимума диаграммы направленности и углами ее раствора в ортогональных плоскостях имеет место зависимость

где ?? ??-- ширина диаграммы направленности антенны (в радианах) в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

В РЛС зондирования атмосферы, как правило, используются зеркальные антенны с осесимметричной игольчатой диаграммой направленности, для которой справедливо следующее выражение:

где А - эффективная площадь антенны. Кроме того, ширина диаграммы направленности (в градусах) связана с диаметром их раскрыва d соотношением

Ширина диаграммы направленности для оперативных систем зондирования атмосферы обычно составляет 5-5-6°.

Чувствительность радиолокационного приемника оценивается с помощью понятия минимально различимого сигнала на фоне собственных шумов приемника:

где mp - коэффициент различимости, характеризующий необходимое минимальное превышение мощности порогового сигнала над мощностью собственных шумов приемника; Рш -мощность собственных шумов приемника.

Чувствительность радиолокационного приемника может быть задана тремя способами: а)единицами мощности, б)относительными единицами мощности и в)единицами коэффициента шума. Чувствительность приемника, выраженная в единицах мощности, определяется соотношением (4.22). При этом для уверенного обнаружения сигнала на фоне шумов приемника необходимо, чтобы mp > 1. Очевидно, что чувствительность приемника тем выше, чем меньше уровень его собственных шумов. Чувствительность современных радиолокационных приемников составляет величину порядка 10~12 -s- 10~13 Вт.

Основным недостатком задания чувствительности в единицах мощности является необходимость оперирования с малыми величинами. Для устранения этого недостатка пользуются заданием чувствительности в виде относительных логарифмических единиц (децибел). Чувствительность радиолокационного приемника определяется при этом обычно к мощности в 1 Вт:

Таким образом, чувствительности приемника, равной 10~12Вт, соответствует относительная чувствительность 120 Дб/Вт.

В современной радиолокации для задания чувствительности приемников используется и, так называемый, коэффициент шума Рш, связанный с мощностью собственных шумов приемника:

где k - постоянная Больцмана, Т - температура окружающей среды, ?f полоса пропускания приемника.

Использование коэффициента шума для задания чувствительности приемников обусловлено его относительной простотой измерения.

радиолокационный станция импульс электромагнитный

Тактические характеристики

Зона наблюдения. Зоной наблюдения РЛС называется область пространства, в которой могут производиться обнаружение объектов и измерение их координат с заданной точностью. Зона наблюдения характеризуется максимальной и минимальной дальностями действия станции, пределами обзора по азимуту и углу места, а также разрешающей способностью.

Минимальной дальностью действия РЛС (мертвой зоной) для моностатических систем называется близлежащая область пространства, в которой РЛС не может обнаруживать объекты. Очевидно, что радиус «мертвой зоны» зависит от длительности зондирующих импульсов, в течение которых прием отраженных сигналов оказывается невозможным:

Практически радиус мертвой зоны всегда превосходит величину, определяемую из соотношения (4.23), так как после излучения антенной импульса всегда необходимо некоторое время на переход из режима передачи на режим приема отраженных сигналов.

Максимальной дальностью действия РЛС называется такое наибольшее расстояние, на котором еще возможно однозначно определить, на какой зондирующий импульс получен соответствующий ответ. Достаточно очевидным при этом является, что

Пределы обзора по угловым координатам (азимутальному углу и углу места) в РЛС выбираются такими, чтобы обеспечить обзор всей небесной полусферы.

Разрешающая способность. Разрешающей способностью РЛС называется ее способность раздельно наблюдать близко расположенные друг к другу объекты в атмосфере. Различают разрешающую способность по дальности и по угловым координатам.

Разрешающая способность по дальности оценивается минимальным расстоянием между двумя точечными объектами, находящимися на одном направлении от РЛС, при котором они наблюдаются раздельно.

В импульсных РЛС разрешающая способность по дальности определяется длительностью зондирующего импульса. Действительно, если два объекта находятся на одном направлении соответственно на расстояниях RI и /?2, то при постоянстве скорости распространения электромагнитной энергии в атмосфере отраженные от них сигналы приходят к РЛС через промежуток времени

Разрешающая способность по угловым координатам оценивается минимальным углом между направлениями на два равноудаленных от РЛС точечных объекта, при котором они наблюдаются раздельно. Разрешающая способность по угловым координатами определяется шириной диаграммы направленности антенны.

Очевидно, что разрешающая способность по угловым координатам должна быть равна ширине диаграммы направленности антенны, т. е. должно выполняться условие

В реальных условиях разрешающая способность по угловым координатам оказывается несколько лучше той, которая определяется (4.28), что обусловлено формой диаграммы направленности антенны.

Предельное значение разрешающей способности по угловым координатам определяется соотношением

Разрешающие способности по азимуту и углу места для осесимметричных диаграмм направленности антенны оказываются равными и вычисляются аналогично.

Размещено на Allbest.ur