4 -4 (Электронные лекции для РЛ)

Понятие о вторичном излучении радиоволн. Дальность действия РЛС в свободном пространстве

1. Характеристики и виды принимаемых колебаний

Энергия излучения сосредоточена в пределах временных интервалов, определяемых длительностью зондирующего импульса U_зс(t). Эти интервалы малы по сравнению с периодом следования импульсов Т_и, то есть данное излучение данное излучение характеризуется большой скважностью Q = T_и/T_o или Q = 1/(F_и_и), где F_и=1/T_и - частота следования зондирующих импульсов. Излучение сигналов производится на радиочастоте, среднее значение которой называется несущей частотой f_o. Средний период следования высокочастотных колебаний To=1/f_o. Энергия одного импульса равна произведению импульсной мощности P_и на его длительность _и, то есть Э_и=Р_и_и. Для обеспечения требуемой для зондирования энергии Э_и необходимо обеспечение высокой импульсной мощности сигнала Р_и. После излучения очередного импульса до начала излучения следующего, антенной производится прием отраженных от целей сигналов, которые вместе с постоянно присутствующими шумами образуют входной сигнал приемника U_вх.пр(t). Наряду с отраженными сигналами на вход приемника проходят и зондирующие сигналы из-за не идеальности развязки приемного и передающего трактов. Эхо - сигналы от точечных целей имеют практически ту же длительность, что и зондирующие. Очевидно, что отдельно можно наблюдать на прикрывающиеся импульсы, поступающие с приемного устройства. Поэтому протяженность интервала разрешения определяется длительностью импульса на выходе приемника и определяется соотношением: r=C_{и пр}/2

Из отраженных сигналов извлекается содержащаяся в них информация о цели. Например, временной интервал между передним фронтом отраженного импульса и началом излучения зондирующего характеризует время запаздывания t_з.

В импульсном методе дальнометрии в качестве зондирующих используют импульсы различного вида. Наиболее часто применяются простые прямоугольные радиоимпульсы, импульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазокодоманипулированные (ФКМ) импульсы. Простой прямоугольный радиоимпульс (рис. 2) может быть представлен выражением:

где ₀ - начальная фаза высокочастотного колебания.

Спектр импульса определяется преобразованием Фурье от его временной функции:

Е го модуль (амплитудный спектр) описывается функцией вида .

Произведение длительности _и сигнала на ширину f его спектра называется базой сигнала В. В данном случае B1 и такие сигналы относят к категории простых, длительность которых в приемном устройстве не изменяется (_{и пр}= _и).

Сложные сигналы имеют намного большую ширину спектра по сравнению с величиной, обратной его длительности, то есть В >1, m >1.

Примером сложного сигнала является линейно-частотно-модулированный импульс:

где f _д - девиация частоты.

Э пюры, характеризующие изменение частоты и напряжения во времени, приведены на рисунке. Амплитудный спектр ЛЧМ - импульса близок к прямоугольному. А его ширина f_c при В >1 примерно равна девиации частоты f _д ,таким образом, B  f _д. Фазокодоманипулированный (ФКМ) импульс представляет собой последовательность примыкающих друг к другу простых прямоугольных радиоимпульсов (парциальных радиоимпульсов, дискретов), длительность и частота заполнения которых одинакова, а фаза изменяется в каждом дискрете на величину, кратную , в соответствии используемым кодом. Чаще всего кодирование производится по Баркеру либо М - последовательностям. Код Баркера, наилучший во многих отношениях по сравнению с другими, существует только для числа дискретов N_д = 2,3,4,5,7,11,13. Длина М - кодов практически на ограничена. Форма и параметры амплитудного спектра ФКМ - импульса зависят от используемого кода. Сложные сигналы обладают возможностью их сжатия в В раз. Длительность сжатых в приемном устройстве импульсов _сж=_{и пр} определяет число элементов разрешения по дальности. Поэтому число элементов разрешения может быть увеличено при неизменной длительности импульса за счет использования внутриимпульсной модуляции. Длительность сжатого импульса (для простого импульса равна длительности зондирующего) обратно ширине его спектра f_c. Следовательно, в общем случае размер разрешаемого элемента по дальности будет определяться формулой:

2. Понятие о вторичном излучении радиоволн. ЭРП цели.

Явление вторичного излучения, лежащее в основе активной радиолокации, свойственно волнам любой природы. Оно возникает всякий раз, когда волна встречает препятствие на пути своего распространения. Падающую на препятствие волну называют первичной, отраженную или рассеянную — вторичной, а препятствие — пассивным вторичным излучателем. Препятствием для радиоволн служат любая неоднородность электрических параметров среды: диэлектрической и магнитной проницаемости, или проводимости. Под действием электрического поля волны на облучаемой поверхности, например проводящей, возникают колебания электрических зарядов. Наведенные при этом токи проводимости являются источником излучения вторичных электромагнитных волн. В диэлектрике таким же источником являются токи смещения.

При изучении явления вторичного излучения рассматривают две группы вопросов: электродинамические и статистические. В первом случае изучаются закономерности вторичного излучения конкретных излучателей в зависимости от соотношения их размеров и длины волны, поляризации облучающего поля, ориентации относительно радиолокатора, геометрической формы и материала облучаемой поверхности. Во втором случае исследуются статистические характеристики поля вторичного излучения при случайной ориентации одного или совокупности вторичных излучателей с учетом особенностей их движения. Эти характеристики существенно влияют на статистическую оценку предельной дальности действия радиолокатора, точности измерения координат и параметров движения цели.

С точки зрения электродинамики (как и динамики волн произвольной природы) важное значение имеет соотношение размеров цели и длины волны. Соответствующую закономерность легко наблюдать на водной поверхности, возбуждая распространяющиеся по ней колебаний определенной длины волны. Если на пути распространения установлен прут, тонкий по сравнению с длиной волны, то он, в свою очередь, возбуждается участками водной поверхности, колеблющимися в фазе. Рассеяние энергии первичной волны невелико и происходит во все стороны равномерно. Если же на пути распространения установлена пластина, широкая по сравнению с длиной волны, то в результате интерференции волн от элементов отражающей поверхности происходит более интенсивное и неравномерное рассеяние энергии. В том направлении, где волны складываются в фазе, вторичное излучение максимально. Наоборот, оно отсутствует в тех направлениях, где элементарные водяные волны гасят друг друга. Аналогично, при вторичном излучении радиоволн в зависимости от соотношения размеров цели и длины волны создаются различные распределения фаз (и амплитуд) токов на облучаемой поверхности и проявляется различный характер интерференции создаваемых этими токами волн в различных точках пространства.

Интенсивность результирующего поля в точке приема, создаваемого в какой-либо момент времени, определяется только теми элементарными отражателями, которые расположены внутри одного разрешаемого объема пространства. Только эти излучатели создают интерферирующие между собой отраженные сигналы. Сигналы, принятые из соседних разрешаемых объемов, во времени не совпадают. В этой связи различают сосредоточенные вторичные излучатели, элементы которых не разрешаются радиолокационной станцией, и распределенные, занимающие в пространстве несколько разрешаемых объемов.

Большинство радиолокационных целей имеют размеры, значительно превышающие длину волны облучающих их колебаний и всегда меньше разрешаемого объема. Конфигурация поверхности цели довольно сложна. Выпуклые и гладкие элементы представляют собой ”блестящие точки” (светящийся элемент поверхности), наряду с которыми на поверхности цели могут быть резонансные элементы и шероховатые участки с диффузным рассеянием, роль которого возрастает с укорочением длины волны.

Отражение от блестящих точек

Отраженная волна

Падающая волна

Рисунок 1.1.Отражение падающей волны от ”блестящих точек” самолета

Падающая электромагнитная волна наводит на элементах поверхности цели токи проводимости (в проводнике) или токи смещения (в диэлектрике). Эти токи являются источником вторичного излучения в разных направлениях, т. е. происходит рассеяние радиоволн. В результате в точке приема наблюдается интерференционная картина, представляющая собой отражения от отдельных элементов цели, ”блестящих точек”. В зависимости от ракурса наблюдения ”блестящие точки” блуждают, одновременно меняются ракурсы кривизны и их значения. В общем случае у цели может быть несколько блестящих точек, такие так: фюзеляж, нос, крылья, хвост, двигатели, и т.д., дающие максимальный вклад в суммарное отражение (Рис.2.1).

Отражающие свойства цели зависят от ее размеров, конфигурации, материала поверхности, длины волны РЛС, ее поляризации, направления облучения. Для характеристики отражающих свойств цели пользуются обобщенной величиной, учитывающей совокупность указанных выше факторов: эффективной отражающей площадью цели, называемой эффективной площадью рассеяния (ЭПР).

Эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР) - площадь некоторой фиктивной плоской поверхности, положенной нормально к направлению падающей волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку цели, создает у антенны РЛС ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.

Из определения следует, что полностью переизлучаемая ЭПР мощность

, (1.1)

где - плотность потока мощности падающей плоской волны у цели (т.е., мощность, приходящаяся на поверхности волнового фронта).

Так как на расстоянии от цели (в дальней зоне) вся переизлучаемая мощность равномерно распределяется на поверхности сферы , то плотность потока мощности у РЛС

, (1.2)

откуда получаем общее выражение для ЭПР

. (1.3)

ЭПР обычно выражают через хорошо известные параметры антенн — эффективную площадь , коэффициент направленного действия (КНД) , коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент усиления

. (1.4)

Мощность, выделяемая из поля падающей на цель волны, имеющей плотность потока мощности , равна