Теоретические аспекты расчета дальности действия при проектировании нелинейной радиолокационной станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 62

Поволжский государственный технологический университет

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НЕЛИНЕЙНОЙ РЛС

Нечунаев Ю.В.

Евдокимов А.О.

Уравнение дальности действия для нелинейной радиолокационной станции (РЛС) хорошо изучено [1, 2]. Хотя некоторые версии уравнения дальности действия нелинейной РЛС представлены в литературе [3, 4], исследования, поддержанные экспериментальными результатами, отсутствуют. В этой статье описываются физические процессы получения энергии, генерируемой нелинейной целью с помощью электромагнитного излучения. Поэтапное описание процесса передачи мощности от источника к объекту и передачи мощности переизлученной энергии обратно к приемному устройству, поможет молодым ученым решить проблему нехватки актуальной информации в сфере теоретической нелинейной радиолокации.

Рисунок 1: Схема пути прохождения радиолокационного сигнала.

На рисунке 1 показан путь, по которому проходит радиолокационный сигнал с целью получения ответного сигнала от нелинейной цели. [5]

На рисунке 1 точка A представляет собой переданный сигнал, точка B - сигнал, сталкивающийся с нелинейной целью после прохождения расстояния R, точка C представляет собой ответный сигнал от нелинейной цели, а точка D - сигнал, возвратившийся в РЛС.

Эффективная мощность изотропного излучения (EIRP), оставляющая антенну в точке А, равна РA:

где Pt - мощность передачи, а Gt - коэффициент усиления передающей антенны. Предполагая сферическое распространение, плотность мощности сигнала, достигающего точки B, равна: 

Мы моделируем соотношение вход-выход для нелинейного устройства в виде степенного ряда, в соответствии с результатами проверки в разделе 2, следующим образом (3):

где Pin и Pout - входная и выходная мощность нелинейного устройства, dN - коэффициент масштабирования n-ой гармоники нелинейного устройства. Входной мощностью нелинейного устройства является плотность мощности в значении В, изображенная в Уравнении 2, умноженная на эффективную область нелинейного устройства на основной частоте, At0 :

Эффективная область устройства соотносится с коэффициентом усиления приемной антенны устройства следующим образом:

где Gtr0 - коэффициент усиления приемной антенны цели на основной частоте и л0 - длина волны основной частоты. Для этого анализа выражение остается в условиях эффективной апертуры.

Объединение уравнений 3 и 4 дает выходную мощность из нелинейного устройства на каждой гармонике N:

Принимая во внимание передающую антенну нелинейного устройства на N-ой гармонике, мощность энергия радиолокационный сигнал

Gttn, эффективную мощность изотропного излучения EIRP, оставляющую нелинейную цель в точке

C, можно записать следующим образом:

Предполагается, что мощность затем распространяется сферически обратно в РЛС. Принимая во внимание сферическое распространение из точки C в точку D, плотность мощности в точке D можно выразить следующим образом:

Мощность приема на каждой гармонике может быть рассчитана с использованием эффективной области приемной антенны РЛС.

где Prn - принимаемая мощность на каждой гармонике N, а Arn - эффективная область приемных антенн на гармонике n.

Рассматривая уравнение 9, все параметры, относящиеся к нелинейной цели, могут быть сгруппированы вместе и определяются как псевдонелинейная эффективная площадь отражения, уn:

Данное определение псевдонелинейной эффективной площади отражения является постоянным наряду с определением, приведенным в [6].

Применяя уравнения 5 и 10 к уравнению 9, мощность принимаемого сигнала на N-ой гармонике, может быть переписана следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где Grn - коэффициент усиления приемной антенны на N-ой гармонике и лN - длина волны N-ой гармоники.

Результат в уравнении 11 сводится к хорошо известному уравнению дальности РЛС для основной частоты, N = 1. Уравнение 11 также соответствует гармоническому отношению сигнал/шум в [3]. Уравнение 11 указывает, что для N-ой гармоники, мощность принимаемого сигнала пропорциональна R2n1+2 . Это говорит о том, что по мере того, как нелинейные цели удаляются от РЛС, мощность принимаемого сигнала, фиксируемая РСЛ, уменьшается быстрее, чем обычное R4 уменьшение мощности в случае с линейными целями. Данный результат также заметен и в [7, 8, 9]. Уравнение 11 также показывает, что мощность приема пропорциональна мощности передачи и коэффициенту усилению антенны, увеличенного до N-ой мощности. Это означает, что любое увеличение мощности передачи или коэффициента усиления передающей антенны приводит к усилению мощности приема на N дБ.

Рисунок 2: Мощность приема по сравнению с дальностью в случае с обычной нелинейной целью.

Чтобы правильно объяснить следующие несколько разделов, теоретическая кривая мощности приема в зависимости от дальности представлена на рисунке 2. Кривая получена путем заполнения Уравнения 11 параметрами гармонической РЛС со ступенчатым изменением частоты PSU/ARL. Мощность передачи составляет 10 Вт, а анализируемая гармоника - N = 2, вторая гармоника.

Данные на рисунке 2 показывают, что даже при мощности передачи 10 Вт обычная нелинейная цель в радиусе 25 футов от радиолокационной системы будет обеспечивать мощность приема, равную < - 100 дБ/м [5]. Чтобы измерить сигналы, необходим очень чувствительный приемник.

Кроме того, радиолокационная система должна быть полностью линейной, чтобы гарантировать, что приемник перехватывает и обрабатывает только нелинейные ответные сигналы от цели, а не какие-либо внутренние нелинейности. Это означает, что передатчик не должен передавать вторую гармонику, а приемник не должен генерировать вторую гармонику. Обе эти задачи трудновыполнимы, когда система генерирует уровни мощности до + 40 дБ/м и получает ответные сигналы на уровнях мощности < - 100 дБ/м.

Набег фазы нелинейной РЛС. Вышесказанное касаются, в основном, амплитуды принятого сигнала от нелинейного устройства. На основании амплитуды принимаемого сигнала, можно определить наличие цели, т.е. обнаружить цель. Чтобы точно определить дальность до цели, или дальность до нескольких целей, необходимо перехватить и обработать фазу сигнала приема. В следующей статье будет показано, как фаза ответного сигнала от нелинейной цели изменяется в зависимости от дальности до цели.

В результате приведенных выше формул, можно рассчитать плотность мощности сигнала для любой гармоники практически в любой точке системы: передатчик нелинейной РЛС - переизлучающая антенна нелинейного объекта - приемник нелинейной РЛС. Эти расчеты будут полезны при проектировании большинства нелинейных РЛС различного назначения.

Список литературы

1. Петров Б.М. Эффект нелинейного рассеяния / Б.М. Петров, Д.В. Семенихина, А.И. Панычев. // Таганрог: ТРТУ, 1997. - 202 с.

2. Нечунаев Ю.В. Применение нелинейной локации в поисково-спасательных работах / Нечунаев Ю.В. // Научному прогрессу - творчество молодых: сборник материалов Международной научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, 21-22 апреля 2017 г. : [в 3 ч.] / М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию, Гос. ком. Республики Марий Эл по проф. образованию, Марийский гос. технический ун-т, Центр фундаментального образования; [ред. кол.: Иванов В. А. и др.]. ЙошкарОла, 2017.

3. V. V. Belyaev, A. T. Mayunov, and S. N. Razin'kov, “Potential accuracy and resolving power of a nonlinear radar station with linear frequency modulation,” Measurement Techniques, vol. 46, no. 7, pp. 698-701, Jan. 2003.

4. R. O. Harger, “Harmonic radar systems for near-ground in-foliage nonlinear scatterers,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 12, no. 2, pp. 230-245, March 1976.

5. Kyle A. Gallagher. Harmonic radar: theory and applications to nonlinear target detection, tracking, imaging and classification. / Kyle A. Gallagher. // A Dissertation in Electrical Engineering, December 2015.

6. D. Dardari, “Detection and accurate localization of harmonic chipless tags,” EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2015, no. 1, 2015.

7. F. Crowne and C. Fazi, “Second-harmonic generation by electromagnetic waves at the surface of a semi-infinite metal,” in Proceedings of the 2010 IEEE Radar Conference. Washington, DC, May 2010, pp. 385-390.

8. C. Fazi, F. Crowne, and M. Ressler, “Design considerations for nonlinear scattering,” Army Research Laboratory, Technical Report ARL-TR-5684, September 2011.

9. F. Crowne and C. Fazi, “Nonlinear radar signatures from metal surfaces,” in Proceedings of the 2009 International Radar Conference - Surveillance for a Safer World. Bordeaux, France, Oct. 2009, pp.

Аннотация

Данная статья посвящена поэтапному описанию процесса передачи мощности от источника к объекту и передачи мощности переизлученной энергии обратно к приемному устройству с научной точки зрения. Решена проблема нехватки актуальной информации в сфере теоретической нелинейной радиолокации.

Ключевые слова: нелинейный объект, нелинейный локатор, сигнал, расстояние.

This article focuses on stepwise description of the process of power transfer from the source to the object and the transmission power re-emitted energy back to a receiving device from a scientific point of view. Solved the problem of lack of relevant information in the field of theoretical nonlinear radiolocation.

Keywords: nonlinear object, nonlinear locator, signal, distance.

Размещено на Allbest.ru