КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ По курсу ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРОЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВАИЦИИ

АВИАЦИОННЫЙ КОЛЛЕДЖ

Отделение №2

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По курсу

ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ

Алматы 2012

ВВЕДЕНИЕ

Рождение радиолокационной техники и у нас в стране, и за рубежом было связано с решением задачи заблаговременного обнаружения самолётов. Радиолокационные станции позволили решить эту задачу значительно лучше (на большей дальности, с более высокой точностью, с большим быстродействием, при любых метеорологических условиях), чем все известные ранее средства обнаружения (звуковые и оптические).

Работы по созданию радиолокационных станций велись в СССР отдельными группами учёных с начала 30-х годов. В 1941 году советские учёные Ю.Б. Козырев, П.А. Погорелко и Н.Я. Чернецов за разработку первых серийных отечественных станций для обнаружения самолётов были удостоены Государственной премии. Приблизительно к этому же времени относится появление первых радиолокационных устройств аналогичного назначения за рубежом.

С тех пор радиолокация развивалась быстрыми темпами и в настоящее время превратилась в самостоятельную отрасль науки и техники, имеющую чрезвычайно большое значение и для военных целей, и для народного хозяйства.

В пособии изложены принцип радиолокации, методы измерения координат и обзора пространства, рассмотрены вопросы измерения их параметров и разрешения. Данное пособие предназначается для студентов специального факультета. Однако авторы стремились создать пособие, которое было бы полезным не только впервые изучающим студентам, но и всем, кто заинтересован данным предметом в той или иной степени.

 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЛОКАЦИИ

Задачи и применение радиолокации

С помощью радиолокационных средств решаются самые разнообразные задачи навигации, управления полётом и посадкой летательных аппаратов, проводкой… При решении различных задач радиолокационные станции обеспечивают: ü обнаружение объектов;

Физические основы обнаружения целей и

Определения их координат и скорости

Известно несколько методов получения радиолокационных сигналов: 1.Метод активной радиолокации является наиболее распространённым и основан на… 2.Метод активного ответа – при этом при облучении цели электромагнитной энергией срабатывает установленный на цели…

Тактические данные и

Технические характеристики РЛС

ü размеры области пространства, в пределах которой осуществляется наблюдение целей, - зону обзора; ü время, требующееся для осмотра заданной области, или период обзора… ü измеряемые координаты;

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ И

СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ

Методы измерения дальности

  1. Амплитудный метод При амплитудном методе измерения определяется время запаздывания характерного изменения амплитуды принимаемого…

Методы измерения угловых координат

Угломерное устройство включает антенну (антенную систему), приёмник для обработки принятых радиолокационных сигналов и измерительное устройство.… 1. Амплитудные методы В настоящее время известны и широко используются несколько амплитудных методов: максимума, минимума, сравнения,…

Методы измерения радиальной скорости

  Рис.2.16. Функциональная схема измерителя доплеровской частоты.

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ

 

Основные свойства и классификация

 

Основные характеристики объектов, рассматриваемых в качестве радиолокационных целей:

ü отражающая способность, определяющая свойство цели переизлучать большую или меньшую долю падающей на неё электромагнитной энергии;

ü закон распределения и спектр флуктуаций фазового фронта отражённого сигнала;

ü закон распределения и спектр флуктуаций амплитуды (мощности) отражённого сигнала;

ü особенности траектории движения.

Отражающие свойства цели наряду с данными РЛС определяют её дальность действия. Отражающие свойства зависят от размеров цели, материала, из которого она выполнена, конфигурации, от длины волны РЛС и направления облучения. Практическая невозможность точного учёта всех перечисленных факторов привела к необходимости введения специальной расчётной величины – эффективной отражающей площади цели. Эффективная отражающая площадь цели определяется следующим образом (рис.3.1).

 

 

Рис.3.1. К определению эффективной отражающей площади цели.

 

Пусть РЛС создаёт у цели, находящейся на расстоянии D, плотность потока мощности r_мц. Цель частично поглощает падающую на неё энергию, переизлучая остальную часть в пространство. Переизлучение происходит во многих случаях неравномерно. Чтобы не иметь дела с коэффициентом отражения и характеристиками переизлучения цели, в расчёт вводят некоторую фиктивную поверхность, имеющую площадь S_эфф. Эта поверхность не обладает поглощением и переизлучает всю падающую на неё электромагнитную энергию во все стороны с одинаковой интенсивностью. При этом величина S_эфф выбирается из условия, чтобы у приёмной антенны РЛС создавалась такая же плотность потока мощности r_РЛС, как и от реальной цели. Таким образом, если цель с эффективной отражающей площадью S_эфф воспринимает мощность

,

то у антенны станции при принятых условиях будет создана плотность потока мощности, равная

.

Отсюда

.

(3.1)

Учитывая, что мощность пропорциональна квадрату напряжённости электромагнитного поля, получим другой вид формулы (3.1)

,

(3.2)

где x_РЛС и x_ц - напряженности поля вблизи РЛС и цели соответственно.

Эффективная отражающая площадь цели – это такая фиксированная поверхность, являющаяся изотропным и не поглощающим энергию переизлучателем, которая, будучи помещена в точку цели, создаёт у антенны РЛС такую же плотность потока мощности отражённого сигнала, как и реальная цель. Эффективная отражающая поверхность является одной из важнейших характеристик радиолокационной цели, необходимой для расчёта дальности действия РЛС.

При неравномерной диаграмме переизлучения реальных целей сложной конфигурации всякое случайное или регулярное изменение ракурса их облучения со стороны РЛС приводит к флуктуациям мощности отражённого сигнала у антенны станции. Поэтому эффективная отражающая площадь таких флуктуирующих целей будет случайной величиной и может быть определена лишь статистически – законом распределения и его числовыми характеристиками. Обычно в расчётах используется среднее значение эффективной отражающей площади S_эфф0, приводимое в таблицах.

Кроме закона распределения S_эфф необходимо знать также спектр её флуктуаций, чтобы правильно выбрать постоянную времени АРУ приёмника, частоту сканирования антенны при коническом обзоре и полосу пропускания следящей системы РЛС.

Случайные относительные перемещения цели и РЛС приводят также к флуктуациям фазового фронта отражённого сигнала.

Фазовым фронтом называется поверхность, в любой точке которой отражённый сигнал имеет одну и ту же фазу.

Эффективная отражающая площадь и закон распределения, спектр её флуктуаций и спектр флуктуаций фазового фронта тесно связаны с относительным движением цели.

Радиолокационные цели удобно классифицировать по методу определения их эффективной отражающей площади. С этой точки зрения все цели можно разделить на элементарные и сложные. Эффективная отражающая площадь элементарных целей может быть определена аналитически по формулам (3.1) и (3.2). Такой расчёт возможен лишь для ограниченного числа объектов простейшей формы, выполненных из однородного идеально отражающего материала. Примерами элементарных целей могут служить металлические шар, лист, вибратор, уголковые отражатели.

Эффективная отражающая площадь сложных целей может быть определена только экспериментальным путём и описана статистически вследствие сложности их конфигурации и случайных перемещений относительно РЛС. К сложным целям относится подавляющее большинство реальных целей.

Сложные цели, в свою очередь, могут быть разделены на точечные и распределённые.

Точечные цели – это цели, линейные и угловые размеры которых значительно меньше элементов разрешения РЛСМ по дальности и угловым координатам, а разность радиальных скоростей их крайних точек много меньше элемента разрешения по скорости. Эффективная отражающая площадь точечных целей определяется экспериментально. Примерами точечной цели могут служить самолёты корабли на больших удалениях от РЛС, искусственные спутники.

Распределёнными целями называют, для которых указанные выше соотношения не выполняются. Распределённые цели могут быть поверхностными (земная поверхность) и объёмными (облако пассивных отражателей, гидрометеоры). Для распределённых целей экспериментально определяется средняя удельная эффективная отражающая площадь S_{эфф у}. Эта величина характеризует отражающие свойства единицы площади или объёма. Полная величина S_{эфф о} находится из соотношений:

для поверхностных целей:

(3.3)

для объёмных целей:

(3.4)

где d(S) и d(V) – размеры элементов разрешения РЛС соответственно по площади и по объёму.

 

 

Элементарные цели

Рассчитаем в качестве примера эффективную отражающую площадь элементарной цели в виде полуволнового вибратора. Отражатели этого типа широко… Э.д.с., наводимая в вибраторе, равна ,

Точечные цели

Цели являются точечными, если имеют место неравенства: , , , , … где lц – наибольшей размер цели; d(D), d(jаз), d(jум), d(Vр) – разрешающие способности РЛС соответственно по…

Эффективная отражающая площадь поверхностных целей

Для вычисления эффективной отражающей площади поверхностных целей необходимо… Облучаемая импульсным сигналом площадь в общем случае зависит от длины разрешаемого объёма по дальности, ширины…

Программированный обзор

Схема на рис.4.7 позволяет уяснить основную идею программированного обзора. В РЛС имеется антенное устройство с электронно-управляемым лучом.… Следовательно, луч задерживается только на тех направлениях, где возрастает…  

ГЛАВА 5. ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

Основные положения

Трудности возникают тогда, когда амплитуда сигнала сравнима или существенно меньше средней амплитуды помехи. В этих условиях при наличии сигнала он… В принципе в любой ситуации допустимы только два решения: сигнал есть или… Если сигнала на выходе приёмника нет, то решение о его отсутствии называется правильным необнаружением и ему…

Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с полностью известными параметрами

где А≠0 лишь в интервале времени t1<t<t1+τс. Для полного знания такого сигнала необходимо заранее точно определить значения… В реальных условиях обычно неизвестны значения всех перечисленных параметров обнаруживаемого сигнала.

Характеристики обнаружения радиолокационных

Сигналов с неизвестной начальной фазой

В принципе схема оптимального приёмника должна остаться той же: нужно перемножать входное напряжение с опорным и результат суммирования подводить к… Следовательно, результат перемножения сигнала с опорным напряжением является… а на выходе второй, при их симметричности, .  

Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестной начальной фазой и флюктуирующей амплитудой

Пусть сигнал характеризуется неизвестными заранее амплитудой А и начальной фазой ψ0. При неизвестной начальной фазе апостериорная вероятность… где М – мгновенное значение огибающей напряжения на выходе согласованного… W(uc) – априорная вероятность появления одного возможного сигнала с известным параметрами.

Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестными значениями начальной фазы,

Амплитуды и частоты

Но при прочих равных условиях случайные изменения частоты сигнала приводят к ухудшению соотношения сигнала и шума перед пороговым устройством, а,… Физическое объяснение возникновения потерь из-за расстройки сигнала состоит в… Для компенсации этого ухудшения нужно увеличить энергетическое отношение сигнал/шум на входе приёмника. Так как…

Характеристики обнаружения сигнала в одном

Из его возможных положений

Угловые координаты, дальность и скорость движения цели являются непрерывными функциями времени, и сигнал может занимать бесконечное множество… Предыдущий анализ позволил выявить схему приёмника, оптимального при… Будем называть вероятностью правильного обнаружения сигнала в его i-м положении (Wпоi) вероятность превышения порога в…

Коэффициент различимости при обнаружении

Радиолокационных сигналов

Исходным моментом при расчёте коэффициента различимости является определение значения q0, которое вычисляется по одной из выше приведенных формул.… Тогда соотношение, связывающее коэффициент различимости и величину q0: … если производится обнаружение одиночного сигнала, . (5.44)

ГЛАВА 6. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

Дальность действия в свободном пространстве

Дальность действия зависит от технических параметров станции, характеристик цели, условий распространения радиоволн, наличия и уровня различного… Рассмотрим дальность действия РЛС без учёта влияния земной поверхности и… При облучении потоком электромагнитной энергии одиночной цели, находящейся в свободном пространстве, небольшая часть…

Дальность действия при активном ответе

   

Влияние отражений от земной поверхности

На дальность действия РЛС

Земля в районе точки отражения является достаточно «»гладкой и идеально отражающей поверхностью, цель наблюдается в пределах угла места… Амплитуда напряженности поля излучения с учётом влияния земли при таких… где ζm – амплитуда напряженности поля для случая свободного пространства;

Влияние на дальность действия РЛС ослабления энергии радиоволн в атмосфере

Ослабление энергии радиоволн осадками происходит как за счёт её поглощения частицами влаги (в основном при малых размерах капель, например при… Ослабление энергии зависит от длины волны, температуры, влажности,… Снег и град при одинаковой с дождем интенсивности значительно меньше влияют на величину ослабления энергии, поэтому их…

Влияние кривизны земной поверхности и атмосферной рефракции на дальность действия

При прямолинейном распространении радиоволн предельная дальность, называемая «дальностью прямой видимости», будет равна (рис.6.3) , … где Rз=6370 км – радиус Земли. Так как и , то км. (6.19)

ГЛАВА 7. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ И РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ЦЕЛЕЙ

Важнейшим показателем РЛС как измерительного устройства является точность измерения, характеризуемая ошибкой измерения. Общая ошибка измерения по величине и знаку является случайной, так как она вызывается случайными помехами, всегда сопровождающими любое измерение. Случайные ошибки имеют нормальный закон распределения. Для оценки точности используют среднеквадратическую ошибку σ(α), иногда же применяют вероятную (срединную) ошибку или так называемые квазимаксимальные ошибки с указанием соответствующей им вероятности (0,9; 0,95; 0,99). Для нормального закона распределения справедливо соотношение между величинами ошибок различной категории:

,

(7.1)

где Δ(α) – общее обозначение ошибки измерения параметра α.

При оценке точности работы уже существующего радиоустройства наиболее надежным является экспериментальный метод. При этом методе производятся многократные измерения параметра сигнала, отраженного от эталонной цели, координаты (скорость) которой известны с большой точностью.

При каждом измерении вычисляется ошибка

,

где α₀ – истинное значение параметра; α_i - его значение при i–м измерении.

Среднеквадратическая ошибка при этом может быть вычислена по формуле:

,

(7.2)

где n – общее количество измерений.

Систематическая ошибка определяется из соотношения

,

(7.3)

где α_ср – среднее значение параметра, вычисленное по результатам измерений

.

(7.4)

Важнейшими факторами, влияющими на величину общей ошибки, являются: отношение энергий принимаемого сигнала и шумов, форма сигнала, степень согласования характеристик приёмного тракта с характеристиками сигнала, степень совершенства выполнения отдельных узлов, метод отсчёта и допускаемое время, отводимое на измерение, отклонение траекторий распространения радиоволн от расчетных.

Составляющая общей ошибки, определяемая отношением энергий сигнал/шум и формой сигнала, называется потенциальной. Она характеризует предельно достижимую точность работы устройства при прочих идеальных условиях.

 

Потенциальная точность измерения одного параметра сигнала

Дисперсия оценок дальности и скорости и среднеквадратические ошибки их измерений для входного сигнала в виде одиночного импульса с гауссовой… Дисперсия оценки времени прихода сигнала: . (7.5) где q0 – отношение сигнал/шум;

Потенциальная точность одновременного измерения двух параметров

Пусть выходное напряжение является функцией двух параметров α, β и может быть представлено в виде: , (7.11) где (7.12) и (7.13)

Реальная точность измерения параметров сигналов

где Δ(α)пот – потенциальная ошибка измерения; Δ(α)распр – ошибка, связанная с условиями распространения; Δ(α)i – ошибка, возникающая в i–м узле аппаратуры из-за несовершенства его выполнения. Коэффициент…

Точность измерения положения цели

  Рис.7.1. К вычислению ошибки определения места цели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М. Радиолокационные устройства. Изд-во "Советское радио", 1970.

2. Дулевич В.Е. и др. Теоретические основы радиолокации. Изд-во "Советское радио", 1964.

3. Фалькович С.Е. Приём радиолокационных сигналов на фоне флуктуационных помех. Изд-во "Советское радио", 1961.

4. Бакулев П.А. Радиолокация движущихся целей. Изд-во "Советское радио", 1964.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Изд-во "Наука", 1969.

6.Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприёма при флуктуационных помехах. Госэнергоиздат, 1961.

7.Левин Б.Р. Теория случайных процессов и её применение в радиотехнике. Изд-во "Советское радио", 1960.

8.Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. Изд-во иностранной литературы, 1963.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….……..
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЛОКАЦИИ………………..
1.1.	Задачи и применение радиолокации…………………………….. ...
1.2.	Физические основы обнаружения целей и определения их координат и скорости………………………………………………..
1.3.	Тактические данные и технические характеристики РЛС…….….
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ……………………………………………………...
2.1.	Методы измерения дальности………………………………………
2.2.	Методы измерения угловых координат…………………………….
2.3.	Методы измерения радиальной скорости………………………….
ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ…
3.1.	Основные свойства и классификация………………………………
3.2.	Элементарные цели………………………………………………….
3.3.	Точечные цели……………………………………………………….
3.4.	Свойства сигналов, отражённых от распределённых целей……...
3.5.	Эффективная отражающая площадь поверхностных целей……...
3.6.	Эффективная отражающая площадь объёмных целей…………….
ГЛАВА 4. РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР…………………………...
4.1.	Основные положения………………………………………………..
4.2.	Период последовательного обзора………………………………….
4.3.	Виды последовательного обзора……………………………………
4.4.	Программированный обзор…………………………………………
ГЛАВА 5. ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ..
5.1.	Основные положения………………………………………………..
5.2.	Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с полностью известными параметрами………………………………
5.3.	Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестной начальной фазой………………………………………
5.4.	Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестной начальной фазой и флюктуирующей амплитудой….
5.5.	Характеристики обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестными значениями начальной фазы, амплитуды и частоты……………………………………………………………….
5.6.	Характеристики обнаружения сигнала в одном из его возможных положений………………………………………………
5.7.	Коэффициент различимости при обнаружении радиолокационных сигналов………………………………………..
ГЛАВА 6. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ………………………………………………………………….
6.1.	Дальность действия в свободном пространстве……………….…..
6.2.	Дальность действия при активном ответе………………………….
6.3.	Влияние отражений от земной поверхности на дальность действия РЛС………………………………………………………...
6.4.	Влияние на дальность действия РЛС ослабления энергии радиоволн в атмосфере……………………………………………...
6.5.	Влияние кривизны земной поверхности и атмосферной рефракции на дальность действия………………………………….
ГЛАВА 7. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ И РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ЦЕЛЕЙ…………………………………….
7.1.	Потенциальная точность измерения одного параметра сигнала…
7.2.	Потенциальная точность одновременного измерения двух параметров……………………………………………………………
7.3.	Реальная точность измерения параметров сигналов………………
7.4.	Точность измерения положения цели………………………………
	ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….