Вопрос № 1. Зависимость дальности обнаружения целей от параметров зондирующих сигналов

Известно, что максимальная дальность действия РЛС при отсутствии организованных помех определяется соотношением:

(3.3)

где - энергия излучаемого сигнала;

- коэффициент усиления передающей антенны;

- эффективная площадь приемной антенны;

- эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) цели;

- коэффициент различимости (необходимое отношение «сигнал/шум» по мощности на выходе оптимального фильтра):

,

- спектральная плотность мощности собственных шумов радиоприемного устройства, пересчитанная по его входу;

- энергия принимаемого сигнала при обнаружении цели на максимальной дальности с заданными показателями качества.

Величина называется так же параметром обнаружения. Он определяется по кривым обнаружения исходя из заданных значений показателей качества обнаружения – вероятности правильного обнаружения D и вероятности ложной тревоги F.

Выясним, как влияют параметры зондирующего сигнала на дальность действия РЛС.

Энергия излучаемого сигнала определяется выражением

,

где - число импульсов в пачке, которыми облучатся цель за время её нахождения в главном лепестке ДНА РЛС.

Из последнего выражения видно, что для увеличения дальности действия РЛС необходимо увеличивать:

импульсную мощность передатчика ;

длительность зондирующего сигнала ;

число импульсов в пачке .

Однако возможности по увеличению этих параметров имеют ограничения. Увеличение импульсной мощности сопровождается повышением требований к электрической прочности тракта передачи электромагнитной энергии от передатчика к антенне, а так же приводит к снижению скрытности РЛС и защищенности её от самонаводящегося оружия.

Увеличение длительности зондирующего импульса (если это простой радиоимпульс) приводит к снижению разрешающей способности по дальности и защищенности РЛС от пассивных помех.

Для увеличения числа импульсов в пачке необходимо либо повышать частоту повторения зондирующих сигналов, что связано с уменьшением однозначного измерения дальности:

,

либо уменьшать скорость обзора по азимуту, либо увеличивать ширину ДНА в горизонтальной плоскости, поскольку

,

где - ширина ДНА в радианах;

- период обзора (время одного оборота антенны).

Заметим, что увеличение ширины ДНА влечет за собой ухудшение защищенности РЛС от пассивных помех и активных помех и разрешающей способности по азимуту.

При оценке влияния длинны волны на дальность действия РЛС необходимо учесть, что в радиолокации, как правило, используется одна и та же антенна на передачу и прием. В таком случае эффективная площадь и коэффициент усиления антенны связаны соотношением:

.

Поэтому выражение (3.3) можно переписать следующим образом:

(3.4)

Непосредственно из формулы (3.4) следует, что при увеличение длинны волны приводит к уменьшению дальности. Однако при изменении длинны волны остальные величины входящие в формулу (3.4), не остаются постоянными. Так, от длинны волны зависит среднее значение ЭПР цели . В метровом диапазоне волн она больше, чем в дециметровом и тем более в сантиметровом, поэтому увеличение длинны волны приводит к увеличению дальности действия РЛС. Кроме того, с увеличением длинны волны отражение от подстилающей поверхности также увеличивают дальность действия РЛС на средних и больших высотах, но уменьшают дальность обнаружения целей на малых высотах.

Спектральная плотность мощности шума в радиодиапазоне определяется соотношением

,

где - постоянная Больцмана;

- абсолютная температура приемника (в градусах Кельвина);

- собственный коэффициент шума приемника;

- шумовая температура антенны, которая учитывает прием мешающих излучений в зависимости от длинны волны, форма ДНА и её ориентации.

Отношение называется относительной эффективной шумовой температурой антенны.

В диапазоне метровых волн (при ) величина рассчитывается по эмпирической формуле: . Например, при , . Собственный коэффициент шума малошумящих приемников составляет величину .

Следовательно, в метровом диапазоне необходимо учитывать шумы внешних источников, так как существенно зависит от частоты, а, значит, и спектральная плотность мощности шумов. Чем выше рабочая частота РЛС (короче длинна волны), тем меньше влияние внешних шумов. В дециметровом и сантиметровом диапазонах влиянием внешних шумов можно пренебречь.

Затухания радиоволн в тропосфере, вызываемые рассеянием и поглощением электромагнитной энергии в тропосфере, оказывает заметные влияния на дальность действия РЛС. Так дальность действия РЛС с учетом затухания определяется выражением

(3.5)

где и - максимальная дальность действия РЛС без учета и с учетом затухания радиоволн соответственно;

- коэффициент затухания.

Уравнение (3.5) трансцендентное и его можно решит графически, определяя, например, точку пересечения функций и

,

где .

На рис.3.21. представлены кривые решений уравнений (3.5) для однородной трассы в виде зависимости дальности действия РЛС в километрах (ось ординат) в атмосфере от дальности действия РЛС в свободном пространстве (ось абсцисс) для различных значений коэффициента затухания .

Величину коэффициента затухания можно оценить по графикам рис.3.22. и 3.23. Из рис.3.22. видно, что при длинах волн, близких к одному сантиметру, имеются резонансные максимумы поглощения электромагнитной энергии. Данный фактор определяется особенностями структуры молекул: 1, 35 см, 1, 5 мм, 0, 75 мм – в водяных парах и 0, 5 см, 0, 25 см – в кислороде. Именно дипольные молекулы кислорода и паров воды, а так же частицы конденсированной влаги и пыли вызывают затухания радиоволн в тропосфере.

Затухание радиоволн в ионосфере возникает за счет появления колебательного движения свободных электронов под воздействием электромагнитной энергии. Основная доля энергии колебаний переизлучается, но часть её из-за соударений преобразуется в кинетическую энергию хаотического движения атомов и ионов.

Рис.3.21. Зависимость дальности действия РЛС в однородной атмосфере от дальности действия в свободном пространстве для различных значений коэффициента затуханий .

Затухание значительно, если одновременно велики и концентрация свободных электронов, и концентрация нейтральных атомов и ионов. Численно затухание в децибелах на километр приближенно выражается соотношением

,

где - эффективная частота столкновений электронов с нейтральными атомами или ионами (Гц);

- концентрация электронов ()

Рис.3.22. Зависимости коэффициента затухания от длинны волны для кислорода (сплошная линия) и паров воды (пунктирная линия).

Представление о возможном порядке величины в ионосфере можно получить из таблицы

Высота, км.	65 - 70
, Гц

Сплошные кривые показывают величину затухания обусловленного дождем с интенсивность: а – 0, 25 мм/час (моросящим); б – 1 мм/час (слабым); в – 4 мм/час (средней силы); г – 16 мм/час (сильным).

Пунктирные линии показывают величину затухания в тумане или облаках: д – 0, 032 г/м³ (видимость 600 м); е – 0, 32 г/м³ (видимость 130 м); ж – 2, 3 г/м³ (видимость 30 м).

Из рис.3.22., 3.23. следует, что если исключить случай возвратно-наклонной локации, то в радиолокационном диапазоне частот затухания в ионосфере пренебрежимо мало (доли дБ). Для РЛС дальнего обнаружения нецелесообразно применять волны короче 10 см. Чем больше должна быть дальность действия РЛС тем больше должна быть длинна волны с точки зрения обеспечения допустимого затухания электромагнитной энергии на пути распространения.

Из приведенных выше рассуждений следует, что зависимость дальности действия РЛС от длины волны радиоимпульса имеет сложный и неоднозначный характер.

Рис.3.23. Зависимости коэффициента затухания от длинны волны для дождя и тумана.