3.9. Некоторые сравнительные характеристики импульсного и непрерывного методов
Импульсный метод.
Важное достоинство импульсно го метода - простота разделения прямого и отраженного импульсов, что позволяет использовать одну- антенну. При этом обзор по дальности и ее измерение осуществляются одновременно простыми средствами.
Импульсные РЛС нашли в настоящее время наибольшее распространение. Кроме указанных преимуществ, это иногда обусловливается еще простотой создания импульсных передатчиков, средняя мощность которых может даже превышать мощность передатчиков, работающих в непрерывном режиме.
Наряду с этим импульсному методу свойственны недостатки. К ним следует отнести трудности увеличения дальности за счет повышения мощности передатчика. Дело в том, что получение очень больших мощностей в импульсе связано с использованием громоздких импульсных модуляторов (из-за высоких напряжений предъявляются соответствующие требования к изоляции и т. д.). Кроме того, при этом всегда имеется опасность пробоя как в самом передатчике, так и в антенно-фидерном тракте.
Недостатком импульсного метода является неоднозначность измерения радиальной скорости цели, слепые скорости и вообще трудности практической реализации системы СДЦ.
Часто в качестве недостатка импульсного метода отмечают большие минимальные дальности. Однако это относится к одноантенному варианту РЛС. Двухантенная система с импульсами наносекундной длительности встречается в радиовысотомерах малых высот, хотя чаще импульсные радиовысотомеры применяются для измерения больших высот.
Непрерывный метод с ЧМ.
Дальность действия РЛС определяется средней мощностью передатчика. При непрерывном излучении требуется такая же средняя мощность, как и при импульсном. Это позволяет упростить конструкцию передатчика, сократить его размеры и массу, что особенно важно для бортовой аппаратуры. Другое преимущество непрерывного метода состоит в том, что он обеспечивает однозначное и точное измерение скорости цели, при этом отсутствует эффект слепых скоростей.
Однако при реализации методов, связанных с непрерывным излучением радиоволн, требуются, как правило, две антенны. Это существенно усложняет конструкцию РЛС. Трудно также устранить такое специфическое для непрерывного метода явление, как проникновение шумов передатчика в приемник и снижение вследствие этого его чувствительности. Поэтому метод ЧМ применяется главным образом в радиовысотомерах малых высот. Имеются и другие недостатки, например, затруднен параллельный спектральный анализ при радиолокации многих целей, трудно также достигнуть линейности изменения частоты.
Глава 4 радиолокационные цели
4.1. Эффективная отражающая площадь целей
Первичная (падающая) радиоволна наводит на 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. Рассеивается лишь часть приходящей энергии, остальная превращается в тепло. Особый интерес для однопозиционной радиолокации представляет отражение в сторону РЛС (в обратном направлении). Для ограниченного числа тел сравнительно простой формы (полуволновой вибратор, шар, металлический лист и т. д.) возможен электродинамический расчет поля вторичного излучения. Однако большинство реальных целей имеет более сложную форму. Их вторичное излучение целесообразно описывать статистически.
Сложные цели можно разделить на сосредоточенные и распределенные.
К сосредоточенным относятся цели, размеры которых заметно меньше размеров разрешаемого объема РЛС. Примерами таких целей являются летательные аппараты (ЛА) и корабли на больших расстояниях от РЛС. Заметим, что сосредоточенные цели, в свою очередь, можно разделить на одиночные и групповые, состоящие из ряда независимых одиночных целей (например, группа самолетов в пределах одного разрешаемого объема).
Одиночные сосредоточенные цели будем называть точечными. Как уже отмечалось, они практически не изменяют форму отраженного сигнала. К распределенным целям относятся:
земная и водная поверхность (поверхностные цели),
облака, дождь, снег, туман (объемные цели), они могут занимать несколько разрешаемых объемов.
Отражающие свойства цели зависят от:
ее размеров (обычно имеется сильная зависимость от площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению на РЛС),
конфигурации,
материала поверхности,
длины волны РЛС,
ее поляризации,
направления облучения.
Чаще всего интересуются интенсивностью вторичного излучения в дальней зоне. Для характеристики отражающих свойств цели пользуются обобщенной величиной, учитывающей совокупность указанных выше факторов:
эффективной отражающей площадью цели (ЭОП),
называемой также эффективной площадью рассеяния (ЭПР),
радиолокационным поперечным сечением (РПС),
Эффективная отражающая площадь цели - это площадь ц некоторой фиктивной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей плоской 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 ЭОП мощность
Рц=Пцц,
где Пц- плотность потока мощности падающей плоской волны у цели.
Так как на расстоянии D от цели (в дальней зоне) вся переизлучаемая мощность равномерно распределяется на поверхности сферы 4D2, то плотность потока мощности у РЛС
Пр = Пцц,/ 4D2.
Чтобы лучше уяснить понятие ЭОП, целесообразно ее выразить через хорошо известные параметры антенн - эффективную площадь А (,), коэффициент направленного действия (КНД) G' (,), коэффициент полезного действия (КПД). a и коэффициент усиления
G (,)=G' (,)A,
(в дальнейшем изложении, как правило, аргументы(,), обозначающие азимут и угол места, будут опускаться, хотя соответствующая функциональная зависимость всегда подразумевается).
Рассматривая цель как приемно-передающую антенну, будем ее характеризовать тремя указанными параметрами е индексом «ц». Мощность, выделяемая из поля падающей волны, имеющей плотность потока мощности Пц, равна:
Рц пр= ПцАц.
Соответственно мощность вторичного излучения цели
Рц изл= ПцАцА.
Если бы цель была изотропным вторичным излучателем, то плотность потока мощности на расстоянии D у РЛС была бы равна
П`р = Рц uзл/4D2.
С учетом же направленных свойств цели
П`р = Пц АцG`цц/4D2
Выражение ц = АцG`цц имеет размерность площади и характеризует, какую часть энергии падающей радиоволны получает цель (Ац), потери энергии во вторичном излучателе (ц), направленные свойства вторичного излучения (G`ц).
Заметим, что ЭОП часто выражается в децибелах по отношению к Ц = 1 м2, т. е. Ц = 10 lg ц (иногда относительно квадрата длины волны).
Затем получаем общее выражение для ЭОП:
ц = 4D2 (ПР/ПЦ).
Формулa соответствуют случаю D, когда отсутствуют радиальные компоненты полей. Это, как известно, нарушается в ближней зоне, где, кроме того, векторы электрического и магнитного полей не связаны коэффициентом 120, а плотность потока мощности не является монотонно уменьшающейся функцией дальности.
Обычно ЭОП, представляемую в виде зависимости ц = ц(, ), называют диаграммой обратного рассеяния (ДОР). Для экспериментального определения ДОР РЛС перемещают вокруг цели и при этом измеряют напряженность поля Ер (рис. 3.1, а). Затем испытываемую цель заменяют
Рис. 4.1. Условия экспериментального определения ДОР и ДР
эталонной, (имеющей обычно форму шара) с известным значением ЭОП цэ и определяют напряженность поля Ецэ. Так как параметры D и Ец не изменяются, то находим искомое значение ЭОП: цх = цэ (Е2р/Е2рэ).
Для экспериментального определения ЭОП можно пользоваться вместо реальных целей их моделями, так как при этом из уравнений Максвелла следует, что дифракционные явления на реальной цели и на ее модели совпадают при условии соблюдения: геометрического подобия и уменьшения всех размеров и длины волны в n раз (если материал поверхности цели не является хорошо проводящим, то проводимость модели уменьшается в n раз). Предполагается также, что размеры лаборатории (или полигона) обеспечивают сохранение плоской волны. В противном случае можно применять специальную линзу.