Уравнение дальности радиолокационного обнаружения

1.

УРАВНЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ
Дальность действия РЛС в свободном пространстве
Дальностью действия радиолокационной станции называется наибольшее
расстояние между РЛС и целью, на котором ее обнаружение производится с заданными
вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги.
Дальность действия зависит от различных факторов: технических параметров
станции, характеристик цели, условий распространения радиоволн, наличия и уровня
различного рода помех и ряда других факторов, большинство из которых изменяется во
времени случайным образом. График иллюстрирует характер зависимости
относительного изменения дальности обнаружения от значения вероятности
правильного обнаружения D при заданной ложной тревоге F.
Вначале рассмотрим дальность действия РЛС без учёта влияния земной
поверхности и атмосферы на распространение радиоволн, т.е. РЛС и цель находятся в
«свободном» пространстве.

2.

D
Pпр
PpG1 1S2 2 S0
F=const
( 4 ) 2 R 4
S 2 G2 / 4
2
R1/R2
На входе приемника активной РЛС пороговая мощность сигнала при обнаружении:
Pp G1G2 S c
Pпор
R
4
max0
Pc
Pш k r
>qckp,
Sa =S2 – активная площадь антенны, Sс =S0 – ЭПР цели.

3.

Для РЛС с пассивным ответом
Rmax0 4
Pp G1G2 S c
Pпор
Rmax0 4
Pp S a1S a 2 Sc
2 Pпор
Для РЛС с активным ответом
Rmax0
PpG1G2
Pпор
Rmax0
Pp Sa1Sa 2
2 Pпор
Если РЛС использует импульсный сигнал и имеет одну антенну (на передачу –прием), то
УДРО упрощается:
Rmax0
4
PpG 2 Sc
Pпор
Rmax0
4
Pp S a2 Sc
2 Pпор

4.

Дальность действия запросчика и ответчика активной РЛС должны быть
эквивалентными.
При прямолинейном распространении радиоволн дальность действия ограничивается зоной
прямой видимости.
Зона прямой видимости и учет сферичности земли для вычисления высоты цели:
Rпв 4,12( H h ) H H г H HГ – высота цели над горизонтальной
поверхностью, ΔH – поправка на
2
сферичность, R3 – радиус Земли.
H h R sin H R /( 2 R )
г
З
Форма ДНА влияет на наблюдаемость целей на экране индикатора и поэтому в РЛС
УВД и РЛС обзора земной поверхности используют ДН типа «cosec».
Влияние атмосферы и подстилающей поверхности на дальность действия РЛС
Причина затухание и рефракция (отрицательная или положительная, а также
сверхрефрация – явление атмосферного волновода).
Градиент коэффициента преломления радиоволн для стандартной атмосферы:
dn / dH 4 10 8 м 1
1
1 dn
.
Rз. эф Rз dH
Эффективный радиус Земли, при котором высота
траектории РРВ не меняется за счет рефракции, а сигнал
распространяется прямолинейно. Радиус кривизны
траектории в атмосфере RT :
dn
R3
RT
; Rз. эф
k R3
dn
dH
1 R3
dH

5.

P20
L 10 log
; P2 P20 10 0, 2 R .
P2
На предельной дальности
Rmax 4
Или
PpG1G2 Sc
Pпор
10
0, 05 Rmax
Rmax 4
Rmax Rmax 0 10
Pp Sa1Sa 2 Sc
2 Pпор
10 0,05 Rmax
0, 05 Rm ax
Более подробно влияние атмосферы и подстилающей поверхности
Бакулев П.А.
Радиолокационные системы, изд. 2007 г., стр.128-133. (Изд. 2005 г., стр. 122-127).

6.

Влияние подстилающей поверхности на дальность обнаружения низколетящих целей
Т.к.
4 h
Rmax
Rmax Rmax 0
,
Rпв 4,12( H h )
Тогда с учетом атмосферы и при малой высоте цели
PpG Sc 4 h H
2
Rmax
8
4
Pпор
4
10
0 , 05 Rmax
Зона обнаружения (зона видимости) строится в координатах «высота-дальность»
С учетом влияния рефракции и подстилающей поверхности.

7.

Пример зоны

8.

1.
2.
3.
4.
5.
Пассивные помехи в РЭС
Пассивные помехи проявляются только при работе радиопередающих
устройств. Пассивные помехи формируются за счет отражения зондирующих
сигналов подавляемых РЛС от искусственно создаваемых отражателей (облаков
дипольных отражателей, аэрозолей).
Источник
пассивных
помех
пространственно
расположен
в
непосредственной близости от обнаруживаемого объекта.
Мощность пассивных помех, как правило, значительно больше мощности
шума на входе приемника РЛС.
Источник пассивной помехи, как правило, значительно медленнее
перемещается в пространстве по сравнению с целью.
Пассивную помеху от белого гауссовского шума отличает узкополосность
спектра. Эти отличия во временной области проявляются в структуре и
параметрах корреляционной функции.
Таким образом отражения типа пассивной помехи – узкополосный
случайный процесс, центральная частота спектра которого незначительно
смещена относительно частоты зондирующего сигнала (доплеровская
составляющая спектра мала).

9.

Дальность действия РЛС в условиях пассивных помех
Pс=KSс,
Pп=KSп ,
K
где Sс, Sп – эффективные площади рассеяния цели и помехи,
Pc
( Pп Pш )k r
Т.к.
D F
> qckp - условие обнаружения цели, k r
1
1 qвх
qвых qвх
ln F
qвых
1 kr k p
ln D
Pо
– минимальная мощность сигнала на входе
приемного
устройства,
необходимая
для
обнаружения цели с ЭПР Sс при заданных
вероятностях правильного обнаружения D и
ложной тревоги F (пороговая мощность).
Pp G 2
R
и k p- потери при приеме и
обработке сигнала
D F
1
1 qвых
,
kс Pс / Pш
P0
kп Pп / Pш 1

10.

kс, kп – коэффициенты передачи сигнала и помехи по мощности.
Pс P0
μ=
Pп Pш
Kс max = N;
kп=Pш/Pп,
где N – число импульсов в пачке.
(4 R Pш
Sс kс
Pp
PpG
Sп kп
qвых
4
Sс kс
G
Sп kп R
q
(
4
Pш
вых
.
Pш Pпор
соответствует минимальной чувствительности приемника РЛС.
Формулы для PР и R отражают взаимозависимость энергетических и
вероятностных параметров РЛС в условиях помех.

11.

Методы защиты РЛС от пассивных помех
Мощность пассивных помех (ПП) значительно превышает мощность сигналов
целей и шумов. В результате перегружается приемник РЛС, маскируются сигналы
целей, повышается вероятность ЛТ.
Защита от ПП осуществляется в антенном тракте, тракте ВЧ, ПЧ
(внутриимпульсная обработка), видеочастоты (межпериодная обработка).
Создаются ДНА с «подрезанной» нижней кромкой, двухлучевые антенны с
компенсацией, используется ВАРУ, МАРУ и БАРУ.
Для защиты РЛС от пассивных помех в такте видеочастоты используются
свойства, отличающие их от сигнала цели:
1. узкополосный характер спектра ПП;
2. центральная частота спектра ПП незначительно смещена относительно
несущей частоты зондирующего сигнала.
S(f)
ц1
П
АЧХ РФ
ц3
ц2
Уровень шума
f0--FД1 f0
f0+FД2
f
f0+FД3
Рис. Спектры сигналов цели, пассивной помехи и шума, АЧХ режекторного фильтра

12.

Активные помехи
По виду спектра
Заградительные
Прицельные
Ответные
По воздействию
Подавляющие
Маскирующие
Имитирующие
По виду сигнала
Импульсные
Непрерывные
АМ, ЧМ, АЧМ
АШМ, ЧШМ
Синхр. И несинхр.
Шумомодулирован.
Прямошумовые
Кратные ответные

13.

Частотные диапазоны АП
Для обнаружения необходимо превышение сигналом шума на ~q>5дБ,
поэтому целью создания помех является снижение этого показателя.
Генерацию и излучение помех осуществляют специализированные станции
активных помех (САП). По принципу формирования несущей частоты
помехи САП делятся на САП ретрансляционного типа и САП
генераторного типа.
САП размещают на защищаемых объектах или вне их. Современные
самолётные станции помех имеют мощность ~(10…103) Вт в непрерывном
режиме и примерно на порядок выше — в импульсном; максимальное
усиление антенны 10—20 дБ. В качестве передающего устройства
применяются широкополосные усилители на лампах бегущей волны и
усилители с распределёнными постоянными, генераторы на лампах
обратной волны, магнетронах и др. приборах СВЧ, перестраиваемых в
широком диапазоне частот. Наиболее эффективны станции помех с
фазированными антенными решётками. Современные пассивные
отражатели реализуют на миниатюрных электронных усилителях и
генераторах, т.е. и они уже являются активными средствами
радиопротиводействия.

14.

Активность РЭС по частотному диапазону
АП
0,1
1,0
10,0
Обозначение
L
S
C
Диапазон
2,0
4,0
8,0
X
100,0
Ku
K
Ka
F,ГГц
ММ
12,5 18,0 26,5 40,0 >40

15.

Ц
S
R
РЛС
ПП
Rпп
P, G
Pпп, Gпп

16.

Дальность действия РЛС в условиях активных помех
Типы активных помех: заградительные, прицельные (импульсные или
непрерывные; по частоте и направлению), маскирующие, уводящие,
мерцательные, имитирующие, ответные (однократные или многократные).
По характеру перекрытия частотного диапазона активные помехи разделяют на
заградительные и прицельные. Заградительные помехи имеют широкий спектр
частот, значительно превышающий полосу пропускания приемника подавляемой
РЛС: ΔFпп >> Δ fпр , где Δ Fпп – диапазон спектра частот помехи, Δ fпр – полоса
пропускания приемника. Для создания ЗП достаточно приближенно знать
рабочие частоты РЛС, поэтому разведывательная аппаратура ПП является
относительно простой.
Недостаток: малая эффективность использования энергии передатчика помех,
т.к. мощность помехи на входе приемника пропорциональна Δ fпр/ Δ Fпп .
Прицельные помехи имеют спектр частот, соизмеримый с полосой пропускания
подавляемой РЛС: ΔFпп ≈ Δfпр. Центральная частота спектра прицельной помехи
должна соответствовать несущей частоте РЛС. Мощность передатчика ПП
используется эффективнее, чем у ЗП. Однако необходимо точнее знать несущую
частоту РЛС и требуются ВЧ генераторы помех с быстрой перестройкой частоты.

17.

Таким образом:
заградительные имеют ΔFп>> Δfпр.
Отношение ЭЦ/ ΔFпп определяет спектральную плотность помех.
Энергетически выгоднее применение прицельных помех. ΔFпп≈ Δfпр.
Отсюда следует, что параметр Эц/ ΔFпп для прицельных помех много меньше, чем
для заградительных помех.
Пп
PппGпп пп
4 Rпп
- плотность потока мощности на вх. антенны РЛС
2
Sа G / 4
' 2
Pп0 П п Sa
f пр
Fпп
- эффективная площадь раскрыва антенны
Pпп Gпп G ' пп 2 f пр
4
2
Rпп Fпп
2
- мощность АП на вх. приемника
Обозначим Кбл - уровень БЛ ДНА РЛС, Кп - коэффициент подавления активной
помехи в РЛС,

18.

PппGппG пп f пр
'
Pп
Rmax
4
2
2
Rпп K п Fпп
2
PG 2 2 2 S
2
P
G
GK
f пр
4
3
пп пп
бл
пп
4 qпор LPш
2
2
4
R
K
F
пп
п
пп
Rmax
4
PG 2 2 2 S
2
P
G
G
f пр
3
пп пп
пп
4 qпор LPш
2
2
4
R
K
F
max
п
пп

19.

PG S PппGппG пп f пр
3 4
2
2
4 R
4 Rпп Kп Fпп
2
'
2 2
R 4
2
PG 2 SRпп 2 K п Fпп
4 PппGппG пп f пр
'
Rmax 4
PG SRпп 2 K п Fпп
4 PппGпп K бл пп f пр
Rmax
PG SK п Fпп
4 PппGпп пп f пр
АП из вынесенной
точки пр-ва
АП из
совмещенной
точки пр-ва

20.

Самой важной характеристикой формирователя активных помех (ФАП)
является энергетический потенциал, под которым подразумевается
величина:
где РП - мощность помехи на выходе передатчика,
Gа - коэффициент усиления антенной системы; Gп - спектральная плотность помехи,
- эффективная ширина полосы спектра помехи
- это полоса, которую занимает спектр помехи с постоянной плотностью и
такой же средней мощностью.
называют также эффективной
мощностью ФАП.
Эффективная мощность и энергетический потенциал помехи фактически
соответствует мощности, излучаемой в направлении максимума
диаrpаммы направленности антенны ФАП.

21.

А
ГШ
ШПУ1
ШПУn
ОУ
Структурная схема передатчика прямошумовых помех
Апр
Ап
Пр
ГШ
Анализатор
частоты
ШПУ1
Формирователь
помехи
ШПУn
ГВЧ
ФМС
Структурная схема постановщика прицельных помех

22.

Наиболее сложным узлом постановщика прицельных помех является ГВЧ и его
характеристики определяют тактико-технические характеристики ПП.
К ГВЧ ПП предъявляются следующие требования:
- работа в широком диапазоне частот;
- обеспечение требуемой выходной мощности и равномерность мощности по
частоте;
- высокая скорость перестройки по частоте;
- высокий КПД и приемлемые массогабаритные характеристики.
В качестве ГВЧ, в зависимости от рабочего диапазона частот, могут использоваться
электронно-вакуумные и полупроводниковые приборы. В дециметровом,
сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн преимущественно
применяют клистроны, магнетроны, ЛБВ и ЛОВ. Клистроны и магнетроны имеют
высокую выходную мощность и большой КПД. В непрерывном режиме выходные
мощности клистронных генераторов могут достигать 1,0 МВт в дециметровом,
300...500 кВт в сантиметровом и 10...20 кВт в миллиметровом диапазонах длин
волн. В импульсном режиме работы значения выходной мощности клистронных
генераторов могут достигать соответственно 100 МВт, 20...30 МВт и 100 кВт.
Применяются также генераторы на пролетных клистронах.