4 ВПЛИВ РЕАЛЬНОГО СЕРЕДОВИЩА НА ВІДДАЛЬ ДІЇ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ СИСТЕМИ



4.1 Загальні положення



Прийняті постулати розповсюдження електромагнітних хвиль дійсні тільки в вільному космосі.

В реальних умовах вплив земної поверхні веде до появи інтерференційної сітки, внаслідок чого спотворюється теоретична діаграма направленості антени. Якісно та кількісно цей ефект описується перерізом робочої зони системи вертикальною площиною (так званою діаграмою видимості для радіолокаційної системи), яка характеризується наявністю значної кількості пелюсток.

Окрім того вплив Землі та її атмосфери змінює розраховану віддаль дії радіоелектронних систем, а неоднорідності атмосфери викликають додаткові помилки при вимірюванні параметрів сигналів.



4.2 Вплив атмосфери на дальність дії радіолокаційної станції (РЛС)



При розповсюдженні радіохвиль в атмосфері відбуваються викривлення траєкторії радіохвиль (рефракція) і розсіяння електромагнітної енергії атомами і молекулами води і газів, а також частинками пилу (аерозолями). Останній фактор призводить до затухання радіохвиль.

Рефракція зумовлена зміною відносної діелектричної проникності атмосфери , що призводить до зміни коефіцієнта заломлення , а, отже, – до викривлення траєкторії розповсюдження радіохвиль. В нижньому шарі атмосфери (тропосфері) змінюється з висотою в залежності від зміни тиску, температури і вологості, що і призводить до рефракції радіохвиль. По градієнту коефіцієнта заломлення quation.DSMT4 HYPER14HYPER15 розрізняють наступні види рефракції і викривлення траєкторії радіохвиль (рис. 4.1):

– рефракція відсутня, траєкторія прямолінійна;

– від’ємна рефракція, траєкторія відхиляється вверх;

– додатна рефракція, траєкторія відхиляється вниз;

– критична рефракція, траєкторія радіохвиль кругова відносно центра Землі;

– надрефракція, коли внаслідок атмосферних аномалій через інверсну зміну вологості і температури в прилеглому до поверхні Землі шарі атмосфери виникають так звані атмосферні хвилеводи (рис. 4.2), і радіохвилі, відображаючись від верхньої межі хвилеводу і поверхні Землі, можуть розповсюджуватися на великі відстані.



Рис. 4.1 – Траєкторія радіохвиль в атмосфері



Рис. 4.2 – Утворення атмосферного хвилеводу

Для точного розрахунку траєкторії радіохвиль необхідно знати закон зміни коефіцієнта заломлення за висотою, а це, як правило, неможливо через нестаціонарний стан атмосфери. Тому на етапі проектування РЛС зручно користуватися так називаємою стандартною атмосферою, для якої , і еквівалентним (ефективним) радіусом Землі quation.DSMT4 HYPER14HYPER15, при якому висоти точок траєкторії над Землею залишаються незмінними, а радіохвилі розповсюджуються немов по прямолінійній траєкторії (рис. 4.3): .



Рис. 4.3 – Траєкторії радіохвиль в стандартній атмосфері



Для стандартної атмосфери при фізичному радіусі Землі отримуємо .

Затухання радіохвиль в атмосфері починається при і залежить від довжини хвилі (частоти) радіосигналу і стану (вологості) атмосфери на трасі розповсюдження радіохвиль (висоти траси).

Враховуючи загасання дальність дії радіосистеми визначається виразом:

(4.1)

де – дальність дії у вільному просторі; – питомий коефіцієнт загасання (дБ/км).

Трансцендентне рівняння (4.1) розв’язують методом послідовних наближень (ітерацій) або графічно (рис. 4.4). Поглинання радіохвиль в атмосфері залежить від довжини хвилі і від інтенсивності опадів (рис. 4.5). Піки його викликаються резонансним поглинанням енергії радіохвиль молекулами води і кисню.



Рис. 4.4 – Номограма розрахунку дальності виявлення в атмосфері



Рис. 4.5 – Залежність поглинання енергії радіохвиль від довжини хвилі (а) і інтенсивності опадів (б)

Атоми, молекули газів атмосфери і пилові частинки поглинають енергію радіохвиль на всій трасі розповсюдження, в той час як краплі води (волога) можуть викликати різке збільшення розсіяння () радіохвиль на окремих ділянках траси.

Тоді:

(4.2)

При дощових опадах вірна емпірична формула (при ), (при ), де – вимірюється в дБ/км; – інтенсивність опадів (мм/год).

Можна для оціночних розрахунків користуватися співвідношенням:

(4.3)

де – інтенсивність опадів (мм/год); – довжина хвилі (см).



4.3 Вплив підстиляючої поверхні на дальність дії РЛС



При проектуванні РЛС необхідно враховувати спотворення ДНА радіолокатора через близькість антени до підстиляючої (земної) поверхні і вплив її сферичності на дальність дії системи.

Спотворення ДНА в вертикальній площині обумовлено інтерференцією радіохвиль, що розповсюджуються прямолінійно від антени радіолокатора до цілі і назад, та віддзеркаленням від поверхні. Віддзеркалений від поверхні сигнал (рис. 4.6) з’являється при виконанні умови , де – ширина головного пелюстка ДНА в вертикальній площині за рівнем нульової потужності; – кут нахилу максимуму ДНА до горизонту. При інтерференції вказаних сигналів замість початкової ДНА формується спотворена багатопелюсткова ДНА (рис. 4.6).



Рис. 4.6 – Віддзеркалення радіохвиль від підстиляючої поверхні при широкій діаграмі направленості антени (ДНА)



Методи знаходження в залежності від і властивостей підстиляючої поверхні викладені в курсі Антени і пристрої СВЧ. Відмітимо тільки, що кількість пелюстків і провалів в результуючій ДНА, їх положення і ширина залежать від відношення висоти підйому антени і довжини хвилі .

Провали в ДНА відіграють негативну роль при обзорі простору і виявлення цілей, оскільки ціль в провалі не виявляється. Тому намагаються зменшити їх глибину або змінити положення, наприклад, застосувавши декілька рознесених за висотою антен, висоти яких обирають таким чином, щоб пелюстки одних ДНА перекривали провали інших. Можна змінювати довжину хвилі, змінюючи тим самим положення провалів. До деякого зменшення глибини провалів призводить зменшення або збільшення головного пелюстка ДНА. Крім того, перехід від вертикальної поляризації радіохвиль до горизонтальної призводить до того, що пелюстки і провали ДНА змінюються за місцем через зміну на фази віддзеркаленого від земної поверхні сигналу. Отже, можлива сумарно-різницева обробка сигналів, в результаті якої також змінюються за місцем пелюстки і провали ДНА.

Вплив ДНА на дальність виявлення в вертикальній площині визначимо за зв’язком КНД антени за потужністю з результуючою ДНА за напруженістю поля :

DSMT4 HYPER14HYPER15 (4.4)

де – максимальне значення КНД антени.

При використанні однієї антени як для передачі, так і для прийому сигналів і

(4.5)

Згідно з рис. 4.6, при горизонтальному розташуванні ДНА і коефіцієнті віддзеркалення від земної поверхні HYPER14HYPER15 різниця ходу прямого і віддзеркаленого променів буде визначатися співвідношенням , що призводить до різниці фаз . Тоді напруженості електромагнітного поля прямого і віддзеркаленого сигналів дорівнюють і . Результуючий сигнал за напруженістю:

(4.6)

Якщо застосовуються сигнали з горизонтальною лінійною поляризацією, то , а SMT4 HYPER14HYPER15, тому:

(4.7)

При виявленні цілей на малих висотах , , тому дальність виявлення буде визначатися співвідношенням:

tion.DSMT4 HYPER14HYPER15 (4.8)

Отже,

(4.9)

Сферичність Землі обмежує дальність дії РЛС, в якій застосовуються радіохвилі з довжиною менше , що розповсюджуються над земною поверхнею, дальністю прямої видимості (рис. 4.7). Якщо висота цілі , а висота підйому антени , то при врахуванні рефракції в стандартній атмосфері

(4.10)

де при і , які виражені в метрах, виходить в кілометрах.



Рис. 4.7 – Дальність прямої видимості



Крім того, сферичність Землі потребує корекції співвідношення для обчислення висоти цілі:

(4.11)

Якщо не враховувати сферичність земної поверхні, то з рис. 4.8 видно, що висота цілі над площиною горизонту . При введенні корекції висота , де при стандартній атмосфері поправка .



Рис. 4.8 – Зв’язок істинної та наведеної висот цілі

Через сферичну поверхню Землі віддзеркалені від неї радіохвилі розходяться. Це призводить до зменшення коефіцієнта відображення, що необхідно приймати до уваги при розрахунку . Зменшення коефіцієнта віддзеркалення враховується коефіцієнтом сферичної розходження :

(4.12)

де і – результуючий і початковий коефіцієнти віддзеркалення від земної поверхні.



4.4 Зони виявлення (зони видимості)



Використовуючи залежність , можна побудувати в полярній системі координат графік для контуру зони в вертикальній площині, в межах якої ціль з відомою знаходиться з заданими ймовірностями вірного виявлення і хибної тривоги радіолокатором з параметрами . Але такий графік не дає повної уяви про особливості зон виявлення, тому його прийнято будувати в декартових координатах , застосовуючи формулу для , але при цьому не враховуються рефракція і кривизна Землі. У зв’язку з цим графіки зон видимості коректують. Для врахування рефракції розрахунок ведеться для стандартної атмосфери і замінюється на . Крім того, залишаючи траєкторії радіохвиль прямолінійними, перетворюють прямокутну систему координат в криволінійну, переходячи до координат похила дальність – наведена висота. Під наведеною висотою розуміють висоту цілі над горизонтальною площиною (ПГ), що проходить через антену. Наведена висота зв’язана з істиною висотою цілі наступним співвідношенням (рис. 4.9):

(4.13)

На отриманій таким чином зоні виявлення в вертикальній площині (рис. 4.9) звичайно вказують лінії рівних істинних висот і лінії рівних кутів місця.



Рис. 4.9 – Зони виявлення в вертикальній площині для радіолокатора Утес-Т (світла зона – робота на одній частоті, темна зона – на двох частотах)



4.5 Розрахунок енергії випромінювання в реальних умовах



Еквівалент ділянки траси з поглинанням визначимо за формулою:

(4.14)

де – протяжність ділянки поглинання (км); – коефіцієнт поглинання атмосфери (дБ/км).

Таким чином еквівалент усієї траси є:

(4.15)

де – віддаль дії РЕС (км).

Розрахуємо енергію випромінювання в реальних умовах:

(4.16)

де – відношення сигнал/шум на вході приймача; – потужність шумів на вході приймача; – тривалість сигналу; – еквівалентна траса дії РЛС; – база сигналу; – коефіцієнти підсилення приймаючої та передаючої антени; – довжина хвилі.

Для розрахунку енергії сигналу за формулою (4.16) необхідно знайти базу сигналу та коефіцієнти підсилення антен. Враховуючи, що приймаюча та передаюча антени однакові за розмірами та конструкцією, то значення коефіцієнтів підсилення приймаючої та передаючої антен знайдемо за формулою:

(4.17)

де – коефіцієнт направленої дії антени; – коефіцієнт корисної дії антени.

Згідно технічного завдання задано спіральну антену, яка розташована горизонтально (рис. 4.10).



Рис. 4.10 – Циліндрична спіральна антена, яка розташована горизонтально та режим її випромінення (вісьове випромінення)



Геометричні параметри антени: – крок намотки; – радіус намотки; – довжина витку спіралі; – кут підйому витка; – діаметр кабелю; – довжина антени.

Визначимо коефіцієнт направленої дії (КНД) спіральної антени:

(4.18)

де – кількість витків спіралі.

Режим вісьового випромінення, коли довжина витку спіралі приблизно дорівнює робочій довжині хвилі , являється основним режимом роботи спіральних антен.

Спіральна антена – антена вісьового випромінення з сповільненою фазовою швидкістю хвилі струму вздовж осі антени. В таких антенах максимальний КНД отримуємо при зсуві фаз між полями випромінення першого і останнього витків, рівний , тобто повинна виконуватись умова:

(4.19)

Звідси знайдемо крок намотки :

(4.20)

де – сповільнення хвилі в спіралі.

Оскільки, фазова швидкість хвилі в даному випадку менша швидкості світла, то . Нехай кількість витків спіралі . Знайдемо крок намотки за формулою (4.20):



Визначимо КНД спіральної антени за формулою (4.18):



Нехай коефіцієнт корисної дії спіральної антени . Тоді коефіцієнт підсилення приймаючої та передаючої антен знайдемо за формулою (4.17):



Припустимо, що ширина спектру сигналу обернено пропорційна тривалості сигналу , тоді база сигналу дорівнює:

(4.21)

За формулою (4.16) розрахуємо енергію випромінювання в реальних умовах



4.6 Розрахунок діаграми видимості



Кількість пелюстків результуючої діаграми направленості та їх ширина залежать від висоти підйому антени та довжини робочої хвилі :

(4.22)

(4.23)

Вважаючи, що РЛС використовує однакові за параметрами та конструкцією антени для прийому та передачі, які розташовані на однаковій висоті, вираз для розрахунку діаграми видимості з впливом підстиляючої поверхні набуває вигляду

(4.24)

Використовуючи вираз (4.24) побудуємо діаграму видимості з впливом підстиляючої поверхні (рис. 4.11):



Рис. 4.11 – Діаграма видимості з впливом підстиляючої поверхні

















Змн.



Арк.



№ докум.



Підпис



Дата



Арк.



РТ82.000000.002ПЗ