19.07.2017

Совершенствование РЛС без изменения принципа действия РЛС с быстрой перестройкой частоты и их нестареющие основы - уравнение дальности РЛС. Джованни Даморе (Giovanni D’Amore), Keysight Technologies

С конца 19-го века РЛС прошли долгий путь и породили целый набор технологий, широко используемых в разнообразных современных приложениях. Конструкции РЛС простираются от простых, недорогих и компактных РЛС непрерывного излучения, используемых полицией для борьбы с нарушителями скоростного режима, до сложных активных фазированных антенных решёток, применяемых в наземных, морских и авиационных РЛС. Типовая активная фазированная антенная решётка или активная антенная решётка с электронной настройкой (AESA) состоит из нескольких сотен или тысяч приёмо-передающих модулей, что стало возможным с появлением высокоэффективных полупроводниковых приборов.

По мере продвижения радиолокационных технологий к более высоким частотам и широким рабочим полосам, стали появляться области применения, которые раньше невозможно было даже представить. Недорогие и неионизирующие сверхширокополосные СВЧ системы распознания изображений позволяют по новому взглянуть на вещи и открывают впечатляющие перспективы применения в медицине и здравоохранении. Системы распознания жестов с разрешением до субмиллиметрового диапазона дают потребителям новые способы взаимодействия с устройствами [1]. Кроме того, технологии РЛС позволяют создавать беспилотные автомобили и дроны с системами предотвращения столкновений и определения расстояния. Терагерцовый диапазон с его уникальными свойствами для химии и биологии в равной степени интересен научным и коммерческим кругам, открывая новые возможности в области распознания изображений, зондирования и обнаружения. В связи с появлением новых областей применения РЛС, мы кратко рассмотрим нестареющие основы их работы.

Принцип действия

Основной задачей РЛС является сбор физической информации об одной или нескольких целях - положение, скорость, направление движения, форма, идентификационная информация или просто присутствие. В активных РЛС это достигается за счёт обработки отражённых электромагнитных волн, а в РЛС с активным ответом - за счёт получения ответа от цели. В большинстве реализаций радиолокационная система генерирует импульсный ВЧ или СВЧ сигнал, направляет его в сторону исследуемой цели и принимает отражённый сигнал той же антенной, которая передавала сигнал.

Упрощённая структурная схема импульсной радиолокационной системы приведена на рисунке 1. Центральным блоком системы является генератор-синхронизатор. Этот функциональный блок играет важную роль, синхронизируя все компоненты системы. Для этого он подключен к импульсному модулятору, дуплексеру или переключателю приёма/передачи и к процессору изображения. Кроме того, подключение к приёмнику может обеспечить стробирование для защиты входных цепей или для изменения чувствительности по времени.

Пояснения уравнения дальности РЛС

Уравнение дальности РЛС описывает важные характеристики РЛС и создаёт основу для понимания измерений, выполняемых для обеспечения оптимальных характеристик. Это уравнение можно представить во многих различных формах. Одна из таких форм демонстрируется уравнением 1, которое определяет максимальную дальность РЛС в метрах. Чтобы лучше понять это уравнение и использованные допущения, читателям рекомендуется ознакомиться с выводом этого уравнения [2].

где R - максимальное расстояние, м; Р_Т - мощность передачи, Вт; G_T - усиление передающей антенны; G_R - усиление приемной антенны; λ - длина волны сигнала РЛС, м; σ - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) цели, м²; k - постоянная Больцмана; Т - комнатная температура, К; B_n - полоса шума приемника, Гц; F_n - коэффициент шума; (S/N) - минимальное допустимое отношение сигнала к шуму.

Вывод этого уравнения начинается с анализа простой сферической модели распространения с рассеиванием для изотропного излучателя (т. е. для точечной антенны). Поскольку для направления излучаемой энергии на цель радиолокационные системы используют направленные антенны, то усиление таких антенн определяется как отношение мощности, направленной на цель, к мощности, излучаемой идеальной изотропной антенной. Члены уравнения и описывают, соответственно, усиление направленной передающей и приёмной антенн. Если для передачи и приёма используется одна и та же антенна, то для простоты оба члена можно заменить одним.

Часть переданной мощности, попавшая на цель, будет отражена в разных направлениях, и часть отражённой мощности будет переизлучена в сторону РЛС. Доля падающей мощности, переизлучаемой обратно в сторону РЛС, зависит от эффективной поверхности рассеяния цели (ЭПР или σ). ЭПР (σ) измеряется в единицах площади и определяется размером цели с точки зрения РЛС.

Часть сигнала, отражённого целью, будет принята антенной РЛС. Мощность этого сигнала будет равна возвращённой плотности мощности в антенне, умноженной на эффективную площадь антенны. Основным фактором, ограничивающим чувствительность приёмника, является шум и результирующее отношение сигнала к шуму S/N.

Мощность шума на входе приёмника (теоретический предел) описывается шумом Джонсона или тепловым шумом. Этот шум порождается случайным движением электронов и пропорционален температуре. Мощность шума на входе приёмника всегда больше теплового шума. Это связано с тем, что внутри приёмника генерируется дополнительный шум. Поэтому уравнение (1) учитывает шум, генерируемый внутри приёмника, умножая мощность теплового шума на коэффициент шума F_n и на коэффициент усиления приёмника.

Уравнение 1 описывает максимальное расстояние до цели в зависимости от мощности передатчика, усиления антенны, ЭПР цели, коэффициента шума системы и минимального отношения сигнала к шуму. На самом деле, это упрощённое представление. В реальности на характеристики системы оказывает влияние множество факторов, и в том числе изменения допущений, сделанных для вывода этого уравнения. Два дополнительных члена, которые нужно учесть, это потери в системе и интегрирование импульсов, которое может применяться во время обработки сигнала. Потери в системе могут возникать как в тракте передачи L_T, так и в тракте приёма L_R.

В классических примерах импульсной РЛС можно предположить, что для данной цели будет принято несколько импульсов в каждом положении антенны (поскольку ширина диаграммы направленности антенны РЛС не равна нулю, можно предположить, что антенна будет направлен на каждую цель в течение некоторого времени) и, следовательно, импульсы можно проинтегрировать для улучшения чувствительности РЛС. Но поскольку такое интегрирование может быть неидеальным, то для описания улучшения, получаемого за счёт интегрирования, используется коэффициент эффективности интегрирования E_i(n), который определяется числом интегрируемых импульсов. С учётом этих членов уравнение дальности РЛС приобретает следующий вид:

где E_i(n) - коэффициент эффективности интегрирования; L_T - потери в тракте передачи; L_R - потери в тракте приема.

Для РЛС с несколькими антеннами дальность растёт пропорционально числу элементов антенны, если считать, что все элементы обладают одинаковыми характеристиками.

Физический смысл уравнения дальности РЛС

Мощность сигнала на входе приёмника РЛС прямо пропорциональна переданной мощности, усилению антенны (или размеру апертуры) и эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) (т. е. степени отражения сигнала РЛС от цели). Возможно, даже большую важность имеет обратная пропорциональность четвёртой степени расстояния до цели. Учитывая большое затухание сигнала на пути до цели и обратно, очень желательно иметь высокую мощность передатчика. Однако достижение высокой мощности весьма затруднено практическими факторами, такими как тепловой режим, пробой изоляции, требования к энергопотреблению, размеры системы и её стоимость.

Литература

1. https://atap.google.com/soli/

Источники:

1. www.elcomdesign.ru