Методы и способы измерения расстояний радиолокационным методом

     Содержание 

     Введение…………………………………………………………………….3

     Глава 1. Природа существования и физические принципы,

заложенные  в основу измерения расстояний радиолокационным

методом…………………………………………………………………………….5

1. Что такое  разрешение и как улучшить

обнаружение радиолокационных целей…………………………………………5

     1.2. Какие сигналы воздействуют на  вход РЛС…………………………10

     Глава 2. Методы и способы измерения  расстояний

радиолокационным  методом………………………………………………..…..14

     2.1. Способы измерения расстояний радиолокационным

методом………………………………………………………………………..…14

     2.2. Методы измерения расстояний радиолокационным

методом………………………………………………………………………..….24

     Заключение…………………………………………………………….….32

     Библиографический список литературы…………………………….…..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Цель  устройства для измерения радиолокационных характеристик – повышение точности. Предлагаемое устройство обеспечивает уменьшение величины боковых лепестков на 34% и эффективной длительности радиоимпульса на 85%, что в конечном итоге обеспечивает повышение точности измерений радиолокационных характеристик целей. Так, например, при измерении частотных характеристик эталонных радиолокационных целей (сферы) уменьшение ошибки измерений составило величину порядка 20%

     Важной проблемой, стоящей перед радиолокацией, является обеспечение точности измерения основных параметров и характеристик отраженных радиосигналов, позволяющих определять пространственные координаты и скорость радиолокационной цели, а также расстояние до этой цели. Обнаружение радиолокационных целей, как уже говорилось, зависит исключительно от энергии отраженного сигнала и не зависит от его вида и формы. Точность же измерения параметров и характеристик принимаемых сигналов зависит не только от их энергии, но и от формы зондирующего сигнала. Из общей теории следует, что для того чтобы обеспечить высокоточное определение дальности и скорости радиолокационной цели, излучаемый сигнал должен иметь как можно большую длительность во времени и иметь как можно более широкий спектр. (Последнее означает требование сложности формы сигнала, его как бы наибольшее отличие от самого простого радиолокационного сигнала, каковым является обычная синусоида.) Таким требованиям удовлетворяют так называемые сложные сигналы, к которым относятся линейно-частотно-модулированные сигналы, сигналы с фазовой манипуляцией, шумоподобные сигналы и ряд других. Формированию и применению таких сигналов посвящены специальные разделы радиолокации. Невозможность изложения всех проблем радиолокации в одной статье не позволяет более подробно остановиться на этом вопросе. Следует обратить внимание на парадоксальный вывод, что наилучшим по критерию точности одновременного измерения дальности до цели и ее скорости является идеальный шумовой сигнал.

     Где сегодня не обойтись без радиолокации

     Некоторое представление об областях применения РЛС может дать приводимый ниже перечень.

1. Сельское и лесное хозяйство. Исследование плотности растительного покрова, распределение лесных массивов, лугов и полей, определение вида почв, их температуры и влажности, контроль за состоянием ирригационных систем, обнаружение пожаров.
2. Геофизика и география. Определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология, определение состава пород и их структуры, стратиграфия осадочных пород, поиск минеральных месторождений, отработка техники разведки полезных ископаемых.
3. Гидрология. Исследование процессов испарения влаги, распределение и инфильтрация осадков, изучение стока грунтовых вод и загрязнения водных поверхностей, определение характера снегового и ледового покрова, наблюдение за водным режимом главных рек.
4. Океанография. Определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов, картографирование береговой линии, наблюдение за биологическими явлениями, проведение ледовой разведки.

     Глава 1. Природа существования  и физические принципы, заложенные в основу измерения расстояний радиолокационным методом

     1.1. Что такое разрешение  и как улучшить  обнаружение радиолокационных  целей

     Рассматриваются физические принципы, лежащие в основе современной радиолокации. Формулируются основные проблемы и задачи, а также устанавливаются пути их решения. Даются представления о неклассических видах радиолокации и особенностях их применения.

     Что такое элемент разрешения

     Казалось  бы, мы имеем даже определенное преимущество по сравнению с наблюдением в оптическом диапазоне, где объект характеризуется двумя числами: яркостью (коэффициентом отражения) и цветом (какая-либо количественная характеристика цвета). Однако дело обстоит далеко не так. Прежде всего заметим, что в подавляющем большинстве используемых на практике радиолокационных станций (РЛС) измеряемым параметром является всего лишь одно единственное число - коэффициент отражения. Однако это не самое главное при сравнении с оптическими устройствами. Главное же состоит в следующем. В любой рассматриваемый момент времени на входе приемного устройства формируются сигналы, порожденные радиоволнами, отраженными от различных целей, находящихся на одинаковом расстоянии R от точки приема. Прием отраженных радиоволн антенной в основном осуществляется в пределах некоторого телесного угла , для количественной оценки которого можно использовать два плоских угла и в двух взаимно перпендикулярных сечениях этого телесного угла. (Величина каждого из углов и определяется отношением длины волны к линейному размеру антенны d в соответствующих сечениях. Таким образом, на выходе приемной антенны возникают токи, обязанные своим происхождением электрическим и магнитным токам, возбужденным падающей волной на прямоугольной площадке с линейными размерами , находящейся от антенны на расстоянии R. Принципиальное отличие оптики от радиолокации заключается в размерах этой площадки. Для больших наземных радиолокационных станций углы и составляют десятки угловых минут, что соответствует отношению порядка (3-5)*10^-3. На расстоянии 50 км от антенны для этого случая линейный размер площадки составит величину порядка 400-600 м. В данном примере речь идет об очень больших и весьма редких антеннах. Для большинства же антенн сантиметрового диапазона отношение примерно равно 0,03-0,05, что на порядок хуже приведенного примера. Для оптики при диаметре антенны всего лишь в 1 см искомое отношение составляет величины порядка 10^-5, а поэтому размеры рассматриваемой площадки для оптики оказываются принципиально иными. Не вдаваясь в подробности, а сославшись лишь на авторитет великого Рэлея, следует отметить, что все объекты, расположенные вдоль одного направления в пределах дальности, равной , будут восприниматься наблюдателем как один объект (здесь с - скорость света, - длительность зондирующего импульса). Для ориентировки проведем оценочный расчет этой величины. Если использовать "обычный" радиолокатор, то для него длительность импульса следует принять равной на уровне 1 мкс; это для искомого размера даст величину порядка 150 м, что весьма существенно. Таким образом, все объекты, находящиеся в пределах параллелепипеда с размерами (этот параллелепипед носит название разрешаемого объема, или элемента разрешения) будут восприниматься как одна цель. Из проблемы уменьшения этого объема вытекают почти все проблемы радиолокации.

     Как улучшить обнаружение  радиолокационных целей

     Даже  в рамках неизменного элемента разрешения имеются дополнительные возможности  для улучшения обнаружения находящихся  там радиолокационных целей. К достаточно эфективным следует отнести поляризационные  методы. Их суть сводится к следующему. При изменении вида поляризации излучаемой радиоволны происходит изменение мощности отраженной радиоволны. Ясно, что всегда найдется такой вид поляризации зондирующей радиоволны, при которой отношение мощностей радиоволн, отраженных от исследуемой цели и фоновых объектов, находящихся в элементе разрешения, будет максимально. Теоретические расчеты и экспериментальные результаты показывают, что увеличение радиолокационного контраста для многих типичных ситуаций в среднем составляет 5-8 децибел, достигая в отдельных случаях 20 децибел и более. Существенный рост контраста дает возможность соотносить измеренные элементы матрицы рассеяния с исследуемой радиолокационной целью. До сих пор речь шла о неподвижных по отношению к радиолокационной станции целях. В случае их движения отраженный сигнал (эффект Доплера) имеет другую по отношению к исходному сигналу частоту, которая отличается от основной частоты на величину, пропорциональную отношению радиальной составляющей скорости цели к длине волны. Если в элементе разрешения движущейся является только исследуемая цель, то, осуществляя прием отраженных радиоволн на частотах, не совпадающих с частотой зондирующего сигнала, можно разделить сигналы, идущие от исследуемой цели и от окружающего его фона. (Это направление получило в радиолокации название селекции движущихся целей (СДЦ). Системами СДЦ снабжены очень многие современные радиолокационные станции (РЛС).) Наконец есть еще один, хотя и достаточно экзотический, метод повышения радиолокационного контраста. Речь идет о радиолокационных целях, отраженный сигнал от которых содержит частоты, кратные по отношению к частоте зондирующего сигнала - 2f₀, 3f₀ и т.д. Таким свойством, как правило, обладают объекты, имеющие ржавчину, трущиеся элементы, контакты и т.п. Если другие объекты такими экзотическими свойствами не обладают, то соответствующий радиолокационный контраст может быть увеличен на десятки децибел. Вновь вернемся к элементу разрешения. Для уменьшения его размеров по дальности есть только один путь: уменьшить длительность зондирующего сигнала. Современные РЛС специального назначения могут формировать импульсы наносекундной длительности, что обеспечивает разрешение по дальности до десятков сантиметров. Если уменьшение длительности импульсов связано с техническими и конструктивными ограничениями, то проблема уменьшения горизонтального и вертикального размеров элементов разрешения, то есть углов и , наталкивается на физическое ограничение, связанное с тем, что углы и пропорциональны отношению . Переход от сантиметрового к миллиметровому диапазону волн дал возможность сократить линейные размеры элемента разрешения в 3-5 раз при соответствующем сравнении с сантиметровым диапазоном. Дальнейшее уменьшение длины волны наталкивается на проблему резкого увеличения энергетических потерь радиоволны на трассе распространения вследствие роста поглощения и рассеяния в атмосферных метеообразованиях. Кроме того, возникающие при этом технические и конструкторские проблемы зажигают красный свет перед волнами короче 1 мм. Второй путь, связанный с уменьшением отношения , связан с увеличением линейных размеров антенны. "Лобовая" атака на эти размеры приводит к появлению очень больших антенных систем и конструкций. Однако, поскольку вся "игра" идет на соотношениях между фазами тока в различных точках антенны, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах фазе в соответствуют расстояния, измеряемые миллиметрами и их долями, проблема юстировки таких систем, их защита от температурного расширения, ветрового и дождевого воздействия, колебаний почвы и т.п. представляет собой самостоятельную проблему исключительной сложности. Сказанного достаточно, чтобы понять уникальность таких антенн и их сверхдорогую стоимость при разработке и эксплуатации. Тем не менее такие антенны существуют, но их число в мире исчисляется единицами. Антенны более скромных размеров размещаются на земле или на передвижных средствах. Однако вполне понятно, что получить у таких антенн отношение слишком большим (свыше 150-200) не представляется реальным. Для антенн, устанавливаемых на борту летательных аппаратов, эти размеры ограничиваются линейными размерами носителей. Попытка уменьшить угол привела к созданию вдольфюзеляжных антенн. Длительное время казалось, что этим исчерпываются все возможности для бортовых радиолокационных станций. Прорыв произошел в начале шестидесятых годов, когда впервые было обращено внимание на то, что обработка сигнала в антенне по существу сводится к сложению сигналов от различных ее участков с учетом соответствующего набега фазы, вызванного особенностями геометрии антенной конструкции. Это привело к мысли, что такую обработку можно сделать искусственно. С этой целью необходимо последовательно в разных точках пространства произвести измерение амплитуды и фазы напряженности электрического поля, запомнить эти значения, а затем специальным образом их сложить. Реализация этой идеи состоит в том, что упомянутые выше измерения производятся в процессе полета. Это дает возможность искусственно создать антенну, размеры которой определяются расстоянием между первым и последним замерами, то есть в принципе такая антенна может быть практически безграничной. Здесь мы не будем говорить о тех теоретических и инженерных трудностях, с которыми сопряжена реализация этой идеи. Главное - это то, что названные трудности были успешно преодолены, что привело к созданию принципиально нового класса антенн - антенн с синтезированной апертурой. Радиолокационные станции, работающие с такими антеннами, получили название РЛС с синтезированной апертурой (РСА). В современных РСА удается получить отношение , исчисляемое несколькими сотнями, а в отдельных случаях даже тысячами. Использование РСА привело к такому сокращению элемента разрешения, что радиолокационное изображение стало приближаться к фотографическому (в фотографии "точка переводится в точку", в радиолокации "элемент разрешения переводится в точку"). Сегодняшний уровень РСА - это многочастотная РЛС с управляемой поляризацией излучаемой волны, работающая в реальном масштабе времени.

     1.2. Какие сигналы воздействуют на вход РЛС

     Перейдем  теперь к рассмотрению процессов, имеющих  место после прохождения принятым сигналом антенных трактов и поступлением его на вход радиоприемного устройства РЛС. Поскольку в радиолокации приходится иметь дело с очень малыми сигналами, интенсивность которых соизмерима с интенсивностью собственных шумов самого радиоприемного устройства РЛС (часто полезный сигнал даже много меньше шумового сигнала), необходимо учитывать, что на вход радиолокационного приемника постоянно воздействует шумовой сигнал, который, как это следует из общей теории, также имеет вид квазигармонического колебания, определяемого равенством (1). При этом его амплитуда и фаза являются случайными функциями времени. Таким образом, во всех случаях, связанных с наличием или отсутствием цели, и даже в случаях наблюдения свободного пространства, на вход радиоприемного устройства РЛС всегда воздействует некоторое квазигармоническое колебание вида (1) со случайными амплитудой и фазой. Представим сигнал, воздействующий на вход РЛС, в виде двух слагаемых, первое из которых относится к обнаруживаемому сигналу, а второе ко всем остальным, в том числе и шумовому сигналу:

     В равенство (4) введен параметр n, который в случае наличия цели принимается равным 1 (n = 1), а в случае ее отсутствия - равным нулю (n = 0). Равенство (4) позволяет формализовать основную задачу радиолокации и сформулировать ее следующим образом. В уравнении (4) требуется определить значение параметра n и, если n = 1, определить характер изменения функций A₁(t) и . При этом измерению поддается только функция U_in(t). Известными могут считаться некоторые характеристики обнаруживаемой цели, влияющие на характер изменения во времени функций A₁(t) и . Слагаемое, связанное с шумовой частью входного сигнала, принципиально неизвестно, так как носит случайный характер, а поэтому функция U_in(t) также является случайной функцией времени.

     Из сказанного ясно, что строго решить поставленную задачу, то есть решить уравнение (4), принципиально  невозможно, тем более по результатам  какого-либо разового измерения в  какой-то фиксированный момент времени t = t₁. Уравнение (4) позволяет сделать еще ряд принципиальных выводов и заключений. Прежде всего отметим, что безошибочно ответить на вопрос, чему равен параметр n, то есть ответить на вопрос, есть или нет в разрешаемом элементе обнаруживаемая цель, принципиально невозможно. Этот ответ может носить только характер предположения, количественными оценками которого могут выступать какие-то вероятности достоверности этого предположения. Следовательно, адекватным математическим аппаратом для задач обнаружения, да и большинства радиолокационных задач, могут выступать методы математической статистики и теории вероятностей. Второй вывод, вытекающий из рассмотрения уравнения (4), состоит в том, что достоверность заключения о значении параметра n можно увеличить, увеличивая время наблюдения, то есть увеличивая отрезок функции U_in(t), подвергающийся анализу. Наконец еще один вывод, который можно сделать, анализируя с общих позиций уравнение (4), состоит в том, что различие в виде функций U_in(t) при наличии или отсутствии цели заключается в различии статистических законов, которым подчиняются случайные функции U_in(t). Попытаемся выяснить, какие принципы необходимо заложить в процесс обработки принятого сигнала, чтобы совершаемые при этом ошибки в ответе на вопрос о наличии или отсутствии цели были каким-то образом минимизированы, а для этого попытаемся разобраться в тех типах ошибок, которые неизбежно возникают в процессе принятия решения о наличии или отсутствии цели.

     Чтобы разобраться в возникающих типах ошибок, рассмотрим простую ситуацию, когда фоновые отражения отсутствуют или ими просто можно пренебречь. Пусть радиоприемное устройство РЛС производит какую-то обработку принятого сигнала. В этом случае на выходе этого приемника сформируется сигнал, являющийся некоторой функцией от аддитивной смеси принятого сигнала и собственного шума приемного устройства. Это дает возможность выходное напряжение представить в следующем виде: U_out(t)=f(U_n(t)+nU_s(t)). В этой формуле U_n(t) - собственный шум радиоприемного устройства, всегда присутствующий в смеси и всегда воздействующий на вход этого устройства; U_s(t) - сигнал, вызванный отражением от обнаруживаемой цели, который присутствует в названной смеси только при наличии цели (n = 1) в наблюдаемом элементе разрешения. Какова бы ни была функция f(z), во всех случаях решение о наличии или отсутствии цели будет приниматься в какой-то фиксированный момент времени t = t₁, то есть в результате некоторого разового измерения. Дать же строгий ответ на вопрос, чему равен коэффициент n, принципиальной возможности нет. Как же быть в этом случае? Каково должно быть решающее правило? Как ни странно, ответ на второй вопрос независимо от способа обработки принимаемого сигнала (вида функции f(z)) достаточно прост и очевиден. Единственным возможным решающим правилом может выступать только пороговое правило. Оно сводится к тому, что если входное напряжение U_in(t) больше некоторого значения (порогового значения) U₀, то следует считать, что цель есть; если же имеет место обратная ситуация, то следует признать, что цели нет. Разобранная ситуация позволяет увидеть, что процедура принятия решения при пороговом правиле, то есть процесс обнаружения, сопровождается ошибками двух типов. Рассмотрим эти ошибки. При радиолокационном наблюдении возможны две ситуации: первая - в элементе разрешения находится цель (ситуация А), вторая - в элементе разрешения цели нет (ситуация В). В обоих случаях наблюдатель может принять одно из двух решений: либо цель есть (решение 1), либо ее нет (решение 2). Таким образом, возможны четыре варианта, которые условно можно обозначить так: A1, А2, В1, В2. При этом два решения - А1 и В2 - являются истинными, а два других - А2 и В1 - ложными. Итак, мы имеем дело с двумя типами ошибочных решений: 1) Ложная тревога, когда при отсутствии в элементе разрешения цели принимается решение о ее наличии (вариант В1; соответствующая вероятность называется вероятностью ложной тревоги, она обычно обозначается буквой F). 2) Пропуск цели, когда при наличии цели принимается решение о ее отсутствии (вариант A2; соответствующая вероятность называется вероятностью пропуска цели, она обычно обозначается разностью 1-D). Два других решения являются истинными. 1) Правильное обнаружение, когда при наличии цели принимается решение о ее наличии (вариант A1; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного обнаружения, она обычно обозначается буквой D ). 2) Правильное необнаружение, когда при отсутствии цели принимается решение об ее отсутствии (вариант В2; соответствующая вероятность называется вероятностью правильного необнаружения, она обычно обозначается разностью 1 - F). Какие бы задачи и цели ни стояли перед РЛС, во всех случаях желательно как можно реже принимать ошибочные решения. Однако при пороговом решающем правиле в распоряжении наблюдателя есть только одна-единственная возможность "воздействия" на ситуацию: изменять величину порога U₀. Рассмотрим, как величина U₀ влияет на вероятности ложных решений, перечисленных выше. Рост порогового значения U₀ естественно приводит к уменьшению вероятности ложной тревоги, но влечет за собой рост вероятности пропуска цели. Наоборот, уменьшение порогового значения U₀ приводит к уменьшению вероятности пропуска цели, но влечет за собой рост вероятности ложной тревоги.