Базовые принципы функционирования радара

Угол возвышения цели

Рис. 4. Определение угла возвышения объекта

Угол возвышения – это угол между горизонтальной плоскостью и линией видимости, измеренный в вертикальной плоскости. Угол возвышения обычно описывается с помощью символа буквы ε. Угол возвышения всегда положителен выше горизонта (угол возвышения 0), а отрицателен ниже горизонта (рис 4.).

Рис. 5. Определение амплитуды (а) и высоты (б) относительно уровня земли и уровня моря

Очень важный для пользователей радара параметр – высота цели над поверхностью земли (альтитуда), что обозначается обычно буквой Н. Истинной альтитудой считается фактическое расстояние над уровнем моря (рис. 5.а). Альтитуда может рассчитываться с помощью расстояния R и угла возвышения ε, как показано на рис. 5.б., где:

§ R – наклонное расстояние до цели

§ ε – измеренный угол возвышения

§ r _e – эквивалентный радиус по земле

Однако на практике, как известно, распространение электромагнитных волн также подвергается эффекту рефракции (передаваемый луч радара не является прямой линией стороны этого треугольника, он изгибается), и величина отклонения от прямой линии зависит от следующих основных факторов: – передаваемой длины волны; – барометрического давления атмосферы; – температуры воздуха и – атмосферной влажности. Точность определения цели – это степень соответствия между оцениваемым и фактически измеренным положением и/или скоростью цели в данный момент времени и ее фактическим положением (или скоростью). Точность радионавигационных характеристик обычно представляется в виде заданной статистической меры «системной ошибки». Следует сказать, что установленная величина требуемой точности представляет неопределенность регистрируемой величины относительно истинной величины и фактически показывает интервал, в котором лежит истинная величина при установленной вероятности. Обычно рекомендуемый уровень этой вероятности составляет 9–10%, что соответствует примерно двум стандартным отклонениям среднего для нормального гауссового распределения измеряемой переменной. Любое остаточное смещение должно быть малым в сравнении с установленным требованием к точности. Истинное значение – это такая величина, которая при рабочих условиях характеризует точно переменную, которая должна измеряться или наблюдаться на требуемом характеристическом интервале времени, области и/или объеме. Точность не должна «конфликтовать» с еще одним важным параметром – разрешением радара.

Усиление антенны радара

Обычно этот параметр радара является известной величиной и приводится в его спецификации. Фактически это характеристика способности антенны фокусировать выходящую энергию в направленном луче. Его численное значение определяется очень простым соотношением:

G = максимальная интенсивность излучения средняя интенсивность излучения

Этот параметр (усиление антенны) описывает степень, в которой антенна концентрирует электромагнитную энергию в узком угловом луче. Два параметра, связанных с усилением антенны, – это коэффициент усиления антенны в заданном направлении и направленность. Усиление антенны служит в качестве критерия качества относительно изотропного источника с направленностью изотропной антенны, равной 1. Мощность, принимаемая от заданной цели, напрямую связана с квадратом усиления антенны, когда эта антенна используется как для передачи, так и для приема. Этот параметр характеризирует коэффициент усиления антенны – коэффициент увеличения передаваемой мощности в одном нужном направлении. Можно отметить, что в этом отношении эталоном является «изотропная» антенна, которая одинаково передает мощность сигнала в любом произвольном направлении (рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма направленности высоко направленной антенны в сравнении с изотропной направленностью шаровой формы

Например, если сфокусированный луч имеет мощность в 50 раз больше, чем у равнонаправленной антенны с такой же мощностью передатчика, то направленная антенна имеет усиление 50 (17 децибел).

Апертура антенны

Как было отмечено выше, обычно в простейших радарах одна и та же антенна используется во время передачи и приема. В случае передачи вся энергия будет обрабатываться антенной. В случае приема антенна имеет то же усиление, но антенна принимает только часть поступающей энергии. Параметр «апертура» антенны в общем случае описывает то, насколько хорошо эта антенна может принимать мощность от поступающей электромагнитной волны.

При использовании антенны в качестве принимающей сигнал апертура антенны может для упрощения понимания представляться как площадь круга, построенного перпендикулярно поступающему излучению, когда все излучение, проходящее в пределах круга, выдается антенной в согласованную нагрузку. Таким образом, плотность поступающей мощности (Вт/м2) × апертуру (м2) = поступающая мощность от антенны (Вт). Очевидно, что усиление антенны прямо пропорционально апертуре. Изотропная антенна обычно имеет апертуру λ2/4π. Антенна с усилением G имеет апертуру Gλ2/4π.

Размеры проектируемой антенны зависят от ее требуемого усиления G и/или используемой длины волны λ в виде выражения частоты передатчика радара. Чем выше частота, тем меньше антенна (или выше усиление при равных размерах).

Большие «тарелкообразные» антенны радара имеют апертуру, почти равную ее физической площади, и усиление, как правило, от 32 до 40 дБ. Изменение качества антенны (нерегулярность антенны, деформации или обычный образовавшийся на ее поверхности лед) имеет очень большое влияние на усиление.

Шумы и эхо-сигналы

Минимально различимый эхо-сигнал определяется как мощность полезного эхосигнала на приемной антенне, который дает на экране различимую отметку цели. Минимально различимый сигнал на входе приемника обеспечивает максимальное расстояние обнаружения для радара. Для каждого приемника имеется определенная величина мощности приема, при которой приемник может работать вообще. Эта наименьшая рабочая принимаемая мощность часто обозначается MDS (минимально различимый сигнал). Типовые значения MDS для радара лежат в диапазоне от 104 до 113 дБ. Численные значения величины максимальной дальности определения цели можно определить из выражения:

Rmax = P tx ∙ G 2 ∙ λ 2 ∙ σ t 4π 3 ∙ P MDS ∙ L S 4

Термин «шум» также широко используется разработчиками и пользователями радиолокационной техники. Численное значение MDS зависит в первую очередь от отношения сигнал/шум, определяемого как отношение энергии полезного сигнала к энергии шума. Все радары, так как они являются полностью электронным оборудованием, должны уверенно работать в присутствии определенного уровня шума. Основной источник шума называется тепловым шумом, и он вызывается тепловым движением электронов.

В общем случае все виды шумов можно разделить на две большие группы: внешний атмосферный или космический шум и внутренний (шум приемника – вырабатываемый внутри в приемнике радара). Общая (интегральная) чувствительность приемника во многом зависит от уровня собственного шума приемника радара. Приемник с низким уровнем собственного шума, как правило, разрабатывается с использованием специальных конструкцией и компонентов, которые расположены в самом начале тракта. Проектирование приемника с очень низкой шумовой характеристикой достигается за счет минимизации коэффициента шума в самом первом его блоке. Этот компонент, как правило, характеризуется низкой шумовой характеристикой с большим усилением. По этой причине он обычно и называется «малошумящий предусилитель» (Low noise preamplifier – LNA).

Ложная тревога – это «ошибочное решение по обнаружению цели радаром, вызванное шумом или другими мешающими сигналами, превосходящими порог обнаружения». Проще говоря, это указание наличия цели радаром, когда реальной цели нет. Интенсивность ложных сигналов (FAR) рассчитывается с использованием следующей формулы:

FAR = количество ложных целей число ячеек диапазона

Сигналы ложных тревог вырабатываются тогда, когда тепловой шум превышает некоторый уровень установленного порога за счет наличия паразитных сигналов (как внутренних для приемника радара, так и из источников, внешних для радара) или при ошибках (сбоях) функционирования оборудования. Ложный сигнал может проявляться как мгновенная метка цели на дисплее ЭЛТ, на выходе процессора цифрового сигнала, в виде звукового сигнала или всеми этими средствами вместе. Если порог обнаружения устанавливается слишком высоко, будет очень мало ложных сигналов, но требуемое отношение сигнал/шум будет «подавлять» обнаружение действительных целей. Если порог установлен слишком низко, то слишком большое число ложных срабатываний будет маскировать обнаружение действительных целей. Искусство разработчика радара и заключается в том, что необходимо выбрать именно оптимальный для решаемого круга задач уровень порога обнаружения. Принятый и демодулированный эхо-сигнал обрабатывается пороговой логикой. Этот порог должен сбалансироваться так, чтобы нужные сигналы определенной амплитуды имели возможности прохождения, а шум бы автоматически удалялся. Так как сильный шум присутствует в «верхушках» смешанного сигнала, которые лежат в диапазоне нужных малых сигналов, то оптимизированный уровень порога должен быть компромиссом. Нужные сигналы должны, с одной стороны, достигать индикации при минимальной амплитуде; с другой стороны, интенсивность ложных сигналов не должна возрастать.

Поэтому используется еще один параметр – вероятность обнаружения цели, который определяется следующим образом:

P D = обнаружение цели все возможные метки цели ∙ 100 %

Применение радара

Радар применяется как в военных, так и в гражданских целях. Наиболее распространенное применение в гражданских целях - это помощь в навигации для морских и воздушных судов. РЛС, установленные на судах или в аэропорту, собирают информацию о других объектах, чтобы предотвратить возможные столкновения. На море собирается информация о буях, скалах и т.д. В воздухе РЛС помогают заходить на посадку воздушным судам, в условиях плохой видимости или неисправности. Также радары используются в метеорологии, при прогнозировании погодных условий. Синоптики, как правило, используют их в сочетании с лидаром (оптическим радаром) для изучения штормов, ураганов и других погодных катаклизмов. Доплеровский радар основывается на принципе эффекта Доплера – т. е. изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника). Анализируя изменения частоты отраженных радиоволн, доплеровский радар может отслеживать движение штормов и развитие торнадо.

Ученые используют радары, чтобы отслеживать миграцию птиц и насекомых, определять расстояние до планет. Потому как он может показать в каком направлении и как быстро движется объект, радар используется полицией для определения нарушений скоростного режима. Подобные технологии используются в спорте, например в теннисе, чтобы определить скорость подачи. Радар используют спецслужбы, чтобы сканировать объекты. В военных целях радары, в большей степени, применяют в качестве поиска целей и управления огнем.

Радары сейчас используются довольно широко. Особенно широкое применение они нашли в военной технике – ни один самолет или судно не обходится без радара. Да и наземные радары распространены. На основе их показаний диспетчеры управляют движением и посадки самолетов, они отслеживают появление опасных или подозрительных объектов на суше и на море. На кораблях также есть такое устройство, как эхолот, которое работает по принципу радара, только измеряет глубину под судном.

Современные радары способны обнаружить цель на сотни километров. Созданы целые сети радиолокационных станций, которые постоянно «прощупывают» поверхность Земли с целью обнаружения авиа- и ракетной атаки. И в мирных целях радары тоже применяются – в космической технике и в авиатранспорте, на судах и даже автодорогах.

Открытие радиоволн подарило нам не только радио, телевидение и мобильники, но и способность «видеть» на сотни и тысячи километров в любую погоду, на Земле и в космосе. И, в заключение - просто интересный факт. Так называемые «самолеты-невидимки», созданные по технологии «стеллс», конечно невидимками на самом деле не являются. Для глаза они – обычные самолеты, только необычной формы. А внешняя обшивка такого самолета рассчитана так, чтобы луч радара в любом положении отражался куда угодно, только не обратно к радару. Кроме того, она сделана из специального полимера, поглощающего большую часть радиосигнала. То есть, радар не получит отраженный сигнал от такого самолета, а значит – ничего не нарисует на своем экране. Такая вот война технологий получается.

Базовые принципы функционирования радара

Можно описать следующим образом принцип, по которому работает радар: очень схож с принципом отражения звуковой волны. Если вы кричите в направлении звукоотражающего объекта (такого как ущелье в горах или пещера), вы услышите эхо. Если вам известна скорость звука в воздухе, вы можете затем оценить расстояние и общее направление и направление на объект. Время, необходимое для возврата эха, может грубо преобразовываться в расстояние, если вам известна скорость звука. В радаре используются импульсы электромагнитной. Высокочастотная энергия измеряется радаром и отражается от наблюдаемого объекта. Некоторая небольшая часть этой отраженной энергии возвращается обратно к радару. Эта отраженная энергия называется ЭХО, так же как и в терминологии звука. Радар использует это эхо для определения направления и расстояния до отражающего объекта.

Как следует из этого определения, радары используются для обнаружения присутствия цели (объекта обнаружения) и определения его положения в пространстве. Сокращение подразумевает также тот факт, что измеряемой количественной величиной обычно является расстояние до объекта. На рис. 1. показан упрощенный принцип работы простейшего радара. Антенна радара облучает цель СВЧ-сигналом, который затем отражается от цели и «захватывается» приемным устройством. Электрический сигнал, захватываемый приемной антенной радара, называется «эхом» или «ответом». Сигнал радара генерируется мощным передатчиком и принимается специальным высокочувствительным приемником.

 

Рис. 1. Блок-схема простейшего радара

Алгоритм работы простейшего радара можно описать следующим образом:

§ Передатчик радара выдает короткие мощные СВЧ импульсы энергии

§ Переключатель (мультиплексор) попеременно переключает антенну между передатчиком и приемником так, чтобы использовалась только одна необходимая антенна. Это переключение необходимо, так как мощные импульсы передатчика разрушили бы приемник, если бы энергия поступила непосредственно на вход приемника

§ Антенна передает сигналы передатчика в пространство с требуемым распределением и эффективностью. Этот процесс применяется аналогичным образом при приеме

§ Передаваемые импульсы излучаются в пространство посредством антенны в виде электромагнитной волны, которая проходит по прямой линии с постоянной скоростью и будет затем отражаться от цели

§ Антенна принимает обратные рассеянные сигналы (так называемые эхо-сигналы)

§ При приеме мультиплексор подает слабые эхо-сигналы на вход приемника

§ Сверхчувствительный приемник усиливает и демодулирует принятые СВЧ сигналы и выдает видеосигналы на выход

§ Индикатор представляет наблюдателю непрерывную графическую картину положения целей относительного радара

Все цели выдают так называемое диффузное отражение, т.е. сигнал обычно отражается в широком диапазоне направлений. Такой отраженный сигнал также называется «рассеянием» или обратным рассеянием – это термин, присвоенный отражениям сигнала в противоположном направлении относительно падающего луча.

Сигналы радара могут отображаться как на традиционном индикаторе положения на плоскости (PPI), так и на более современных (жидкокристаллических, плазменных и др.) системах дисплея радара. Экран PPI имеет вращающийся вектор с радаров в начале координат, который отображает направление антенны (азимут целей). Он обычно изображает картину исследуемого пространства в виде карты зоны, покрываемой лучом радара.

Очевидно, что большинство функций простейшего радара являются зависящими от времени. Временная синхронизация между передатчиком и приемником радара требуется для измерения расстояния. Системы радара излучают каждый импульс в течение времени передачи (или длительности импульса τ), ожидают возврата эхо-сигналов во время «слушания» или времени покоя и затем излучают следующий импульс, что показано на рис. 2.

Так называемый синхронизатор координирует во времени процесс синхронизации для определения расстояния до цели и выдает сигналы синхронизации для радара. Он же одновременно подает сигналы на передатчик, который посылает следующий новый импульс, и на индикатор и другие связанные схемы управления.

Время между началом одного импульса и началом следующего импульса называется периодом или межимпульсным интервалом (PRT) и PRT = 1/PRF.

Здесь частота повторения импульса (PRF) системы простейшего радара – это число импульсов, которые передаются в секунду. Частота передачи импульсов существенно влияет на максимальное расстояние, которое может отображаться, что мы покажем ниже.

 

 

Рисeyjr. 2. Временные этапы периодов работы простейшего радара