Методы и способы измерения расстояний радиолокационным методом

     Рис. 1.

     Макс. дальность R_макс обнаружения может быть выражена через энергию зондирующего сигнала E_t, для которого приёмник представляет собой согласованный фильтр:

     где Е_ш - энергия шума в приёмной системе, _;r - отношение сигнала к шуму, обеспечивающее обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог, h < 1 - коэффициент потерь полезной энергии. Вероятность обнаружения D и вероятность ложных тревог F_{л. т.} - связанные параметры. Простейший вид эта связь имеет для обнаружения по одному импульсу сигнала с рэлеевским распределением амплитуды:

     Требуемая энергия зондирования может быть сосредоточена в одном импульсе или в группе из n когерентных импульсов (т. е. импульсных "вырезок" из единого синусоидального колебания; при этом напряжение сигнала на выходе возрастает в n раз в сравнении с одним импульсом). Возможно также увеличить энергию сигнала за счёт некогерентного интегрирования импульсов на видеочастоте; в этом случае не потребуется поддержания определённых фазовых соотношений между импульсами на высокой и промежуточной частотах, но напряжение на интеграторе будет возрастать только как В теории Р. доказывается, что существует. оптимальный приём, при котором достигается наибольшее возможное при данной энергетике превышение сигнала над шумом на выходе "согласованного фильтра" (фильтра электрического, импульсная характеристика которого является "зеркальным отражением" на оси времени). Когерентный приём позволяет приблизить энергетику РЛС к теоретическому пределу.

     При когерентном приёме может существенно  проявляться отличие несущей  частоты отражённого подвижным объектом сигнала от частоты облучающего сигнала. Эта разность, называемая доплеровским сдвигом частоты, где u_p - радиальная скорость объекта, l - длина волны (см. Доплера эффект). При длительности пачки t_к когерентно накопляемых импульсов полоса частот пачки и полоса доплеровского фильтра равны Df_к = 1/t_к. При f_д > Df_к возможно выделять сигналы подвижных объектов на фоне неподвижных предметов или земной поверхности, находящейся на той же дальности. РЛС, использующие данный эффект, наз. импульсно-доплеровскими. В Р. применяется и др. способ выделения сигналов подвижных объектов на фоне мешающих отражений - селекция движущихся целей, основанная на черсс-периодном вычитании последовательно принимаемых сигналов на промежуточной частоте.

     По  характеру функционирования радиолокаторы  разделяются на 2 основных класса: РЛС обзора и РЛС сопровождения. РЛС обзора периодически зондируют все угловые направления сектора ответственности, обнаруживают движущиеся объекты и прокладывают трассы их движения в проекции на земную поверхность (двухкоординатные РЛС) или в пространстве (трёхкоординатные РЛС). Период осмотра пространственного сектора пропорционален ср. мощности зондирующих сигналов РЛС. РЛС сопровождения в течение всего рабочего цикла измеряет координаты движущихся относительно РЛС объектов. Многофункциональные РЛС совмещают обзор и сопровождение. В полной мере многофункциональность реализуется в РЛС с фазируемой антенной решёткой (ФАР), обеспечивающей практически безынерционное перемещение антенного луча в угл. секторе, достигающем для плоской ФАР 120° (рис. 2; по горизонтали - время, по вертикали-угловое положение антенного луча по азимуту; вытянутые по оси времени прямоугольники отображают процесс обзора; горизонтальный размер малых прямоугольников - время обслуживания одного углового направления, на протяжении которого обзор пространства прерывается). На каждом азимуте луч шириной q задерживается на время t_e зондирования сектора ответственности по углу места (на рис. не показан), после чего цикл повторяется на смежном азимуте. Наряду с обзором ведётся сопровождение объектов на азимутах b₁ и b₂.

     Основные  параметры РЛС. Разрешающая способность  и точность определения координат являются характеристиками РЛС. Разрешающая способность по угловой координате приближённо равна ширине q антенного луча, а среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки сопровождения

     где r - отношение сигнала к шуму по мощности, h - число эффективно интегрируемых выборок для системы сопровождения. Помимо шумовой ошибки имеются др. случайные ошибки, так что как бы велик ни был сигнал, угловая ошибка не стремится к нулю. Из наиболее распространённых способов измерения угловых координат ("на проходе", путём конич. сканирования, переключением диаграммы, моноимпульсным методом - см. рис. 3) наибольшую точность даёт последний метод. В сантиметровом диапазоне достигнута минимальная суммарная ошибка измерения угла порядка 0,01 q. Разрешающая способность РЛС по дальности DR = где Df_с - ширина спектра зондирующего сигнала. Среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки измерения дальности при сопровождении

     Рис. 2.

     Рис. 3.

     Рис. 4

     Для увеличения дальности действия РЛС необходимо повышать энергию зондирования, что достигается либо увеличением мощности в импульсе, либо увеличением его длительности. Второй путь предпочтительнее, т. к. устраняет ряд инженерных проблем, связанных с более высокими электрическими напряжениями. Но для сохранения при более длит. импульсах заданного разрешения по дальности требуется внутриимпульсная частотная модуляция (ЧМ) или фазо-кодовая модуляция (ФКМ), обеспечивающая ширину спектра Df_с зондирующих сигналов, равную с/2DR, где с - скорость света. От длительности зондирующего импульса разрешение не зависит, но при обоих видах модуляции от неё зависит уровень мешающих боковых лепестков и ширина области их существования.

     В случае внутриимпульсной линейной ЧМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту (см. Преобразование частоты)поступает на частотно-дисперсионную линию задержки (рис. 4, а), на выходе которой появляется сжатый импульс длительности 1/Df_с. При внутриимпульсной ФКМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту поступает на линию задержки с отводами (рис. 4, б), отображающими кодовую последовательность ФКМ зондирующего импульса и снабжённую такими фазосдвигающими элементами в отводах, которые обеспечивают синфазное суммирование всех парциальных сигналов при достижении импульсом конца линии задержки; при этом на сумматоре появляется сжатый импульс длительностью 1/Df_с.

     Применение  линий задержки, сумматоров, частотных  фильтров, временных селекторов в  виде аналоговых устройств сопряжено с рядом неудобств, обусловленных их нестабильностью, необходимостью регулировки, сложностью и высокой стоимостью. Поэтому в современной РЛС широко применяется цифровая обработка принимаемых сигналов. Для цифровой обработки принятый сигнал после преобразования частоты и усиления подаётся на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого получаются выборки сигнала в виде двоичного цифрового кода, несущие в себе информацию как об амплитуде, так и о фазе принятого сигнала. Далее все операции производятся с помощью цифровых фильтров, интеграторов и устройств для селекции движущихся целей. Широкое применение в цифровых процессорах сигнала находит быстрое Фурье преобразование, резко снижающее требования к объёму вычислений и позволяющее осуществить многоканальную фильтрацию в частотной области. Важнейшее значение имеют характеристики АЦП: его разрядность определяет динамический диапазон приёмника РЛС, его быстродействие - достижимое разрешение по дальности.

     В наземных и корабельных РЛС используются гл. обр. дециметровые и сантиметровые волны. В самолётных РЛС, где габариты антенн строго ограничены, применяются только короткие сантиметровые волны. Имеются также РЛС на волнах 8 мм и даже 3 мм. Ограничение длины волны снизу определяется резко возрастающими с уменьшением l потерями в атмосфере.

     Кроме активных радиолокаторов, работающих по отражённому сигналу, существуют пассивные радиолокаторы, использующие естественное излучение объектов (радиометры). Такие устройства могут непосредственно измерять только угловые координаты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение

     На основании изученного и вышеизложенного можно сделать вывод, что радиолокация - обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью радиотехнических устройств. Первые радиолокационной станции (РЛС), называемые также радиолокаторами или радарами, появились в Великобритании, СССР и США в кон. 1930-х гг.

     Принцип действия систем радиолокации состоит  в обнаружении и регистрации  вторичных радиоволн, отражённых (рассеянных) наблюдаемыми объектами при облучении их электромагнитными волнами радиолокационного передатчика. Приём вторичных радиоволн направленной антенной позволяет определять угловое положение объектов относительно радиолокатора, а измерение времени запаздывания отражённых сигналов по отношению к сигналам передатчика - удаление объектов от радиолокатора. Уравнение для мощности Р_Т принятого сигнала

     где P_t - излучаемая мощность, G_t - усиление антенны на передачу, s - эфф. площадь рассеяния (ЭПР) объекта, А_r - эфф. площадь поглощения приёмной антенны, R - дальность объекта Р.

     Когда и по каким  критериям принимать решение

     От  чего же зависит выбор порога и  кем, и чем он определяется? Уровень  вероятностей ложных решений определяется исключительно потребителем радиолокационной информации, исходя из целевого назначения РЛС. В свою очередь, вероятности ложных решений определяют пороговое значение. Таким образом, в конечном счете уровень порога определяет сам потребитель радиолокационной информации. Рассмотрим теперь критерии, которыми руководствуется потребитель радиолокационной информации. Наличие двух независимых вероятностей ложных решений открывает путь к бесконечному количеству всевозможных критериев оценки эффективности обработки сигналов радиоприемным устройством РЛС, то есть оценки эффективности алгоритма обработки f(z) в формуле (4). В радиолокации принят критерий Неймана-Пирсона, в соответствии с которым при фиксированной вероятности ложной тревоги оценивается вероятность правильного обнаружения. Задача обработки радиолокационного сигнала сводится поэтому к выбору такой функции f(z), при которой в рамках названного критерия максимизируется вероятность правильного обнаружения. Радиоприемное устройство, обеспечивающее максимально возможную вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги, называется оптимальным по критерию Неймана-Пирсона. В предыдущих рассуждениях открытым остался вопрос о выборе момента времени t₁ принятия решения. В рассматриваемых задачах есть два характерных момента. Первый из них t_s определяется моментом, когда отраженный от цели сигнал начал воздействовать на вход радиоприемного устройства, и второй момент t_f - момент окончания этого воздействия. Ясно, что принятие решения ранее времени t_f, то есть при t=t₁ < t_f, неразумно, так как при этом теряется информация о сигнале за промежуток времени от t₁ до t_f. Принятие решения после момента времени t_f также неразумно, так как обработка принимаемого сигнала в отсутствие полезного сигнала не приведет к увеличению информации о ситуации. Таким образом, моментом принятия решения должно выступать время t_f, то есть t₁ = t_f. Следующий вопрос заключается в выработке каких-то подходов к определению алгоритма f (z). Ясно, что при пороговом правиле линейным алгоритм f(z) быть никак не может. Требование его нелинейности выводит на квадратичную обработку принятого сигнала, то есть на уровень энергетических понятий. К такому же выводу можно прийти, если рассуждать, опираясь на чисто физические представления. Таким образом, обработка принимаемого сигнала должна сводиться к построению такого радиоприемного устройства, которое будет накапливать энергию полезного сигнала за время наблюдения в период времени с t = t_s до t = t_f. Естественно, что при этом будет накапливаться и энергия шумового сигнала, а поэтому синтезируемый алгоритм должен обеспечивать определенную избирательность в этой процедуре, обеспечивая упреждающую роль первого из названных накоплений. Физической основой возможности такой избирательности могут выступать только какие-то априорные знания об исследуемом сигнале. Из сказанного вытекает фундаментальный вывод, что любой сколь угодно малый по отношению к собственным шумам радиоприемного устройства сигнал может быть выделен из его смеси с этим шумом при достаточно длительном наблюдении за процессом. Подтверждением такого глобального вывода является успешное радиолокационное зондирование Солнца, Юпитера, Венеры, Меркурия и Марса, осуществленное российскими и американскими учеными и специалистами. Отраженный сигнал был в тысячи, если не в миллионы раз меньше собственных шумов радиоприемных устройств РЛС. Построение алгоритмов обработки радиолокационных сигналов напрямую связано со знанием статистических закономерностей смеси полезного сигнала, фоновых сигналов и собственного шума радиоприемного устройства. Чем более полными и достоверными знаниями располагает исследователь, тем эффективнее работает алгоритм, тем меньшими можно сделать вероятности ложных решений. Именно поэтому так много внимания уделяется разработке различных теоретических моделей и экспериментальным исследованиям по определению этих закономерностей.