Тред №307803

Давайте сначала разберемся с дальностью. Есть некий излучатель электромагнитных колебаний. Если он ненаправленный, то волна распространяется в виде сферы. Тогда плотность потока радиоволны на интересующей нас дальности будет равна мощности источника, деленной на площадь сферы радиусом, равным заданной дальности. Или иными словами, пропорциональна мощности, деленной на квадрат дальности. Если антенна не является ненаправленной, а преимущественно излучает в некотором, интересующем нас направлении, то значение плотности потока нужно умножить на коэффициент усиления антенны. На некоторой дальности и некотором направлении преимущественного излучения объявилась цель. Её отражающая способность определяется понятием ЭПР, эффективная поверхность рассеяния. Мощность, отраженная в обратном направлении будет равна плотности потока, умноженной на ЭПР. И процесс покатится в сторону излучателя по точно такому же закону. Коэффициент усиления антенны – совершенно одинаковая характеристика как на излучение, так и на прием. Тогда мощность на выходе антенны будет пропорциональна произведению мощности излучения, ЭПР цели, квадрату коэффициента усиления антенны и обратно пропорциональна четвертой степени дальности. Для уверенного обнаружения сигнала на фоне собственных шумов, минимальная мощность на входе приемника должна быть порядка мощности собственных шумов приемника. Преобразуя это равенство относительно дальности, имеем – дальность обнаружения цели активной РЛС с пассивным ответом прямо пропорционально корню четвертой степени из произведения отношения средней мощности передатчика к чувствительности приемника, квадрата коэффициента усиления антенны и ЭПР цели. Отношение мощности к чувствительности называют энергетическим потенциалом РЛС. Еще из этого уравнения можно увидеть, что качественные показатели антенны очень сильно влияют на дальность РЛС.
Следует обратить внимание на то, что в формуле фигурирует не импульсная, как следовало бы ожидать, а средняя мощность сигнала. Все дело в обработке принятого импульсного сигнала. После нее, амплитуда сигнала на выходе приемника пропорциональна не чисто мощности, а энергии сигнала. При периодическом импульсном сигнале величина сигнала на выходе приемника будет пропорциональна импульсной мощности, деленной на скважность, а следовательно - средней мощности.

В предыдущих рассуждениях прозвучал термин обнаружение. Он означает процесс выявления факта наличия отраженного от цели сигнала на фоне шумов (в широком смысле – факт наличия цели). Фактически речь идет о пороговом устройстве, производящем сравнение текущего уровня сигнала с неким пороговым значением и по превышению порога принимающего решение о наличии полезного сигнала. Так как шум является случайным процессом, поэтому параметры процедуры обнаружения могут быть описаны вероятностными величинами, такими как вероятность обнаружения и вероятность ложной тревоги. Поэтому величина порога выбирается из текущего уровня собственных шумов приемника и заданных значений этих вероятностей. Причем наибольшую роль играет вероятность ложной тревоги. Оно и понятно, вероятность обнаружения очень легко увеличить посредством многократного повторения процесса обнаружения одной и той же цели, а высокий уровень ложных тревог перегружают устройства помехозащиты до полной неработоспособности. Поэтому зачастую фиксируют уровень ложных тревог, а уж вероятность обнаружения будет зависеть от дальности, ЭПР, мощности и прочего.

Обнаружить цель это еще не все. Нужно определить ее координаты – дальность до цели и ее угловые координаты, азимут и угол места. Дальность это временная задержка от момента начала периода зондирования до половины длительности сигнала, прошедшего через пороговое устройство (середины импульса). Отсюда точность определения дальности равна половине длительности импульса. Угловые координаты определяются направлением главного луча антенны. Он, в свою очередь, измеряется либо непосредственно с датчика углового положения антенны, либо как временная задержка от начала сектора сканирования до середины угловой пачки сигнала (пачка сигналов, образованная посредством модуляции отраженного сигнала диаграммой направленности антенны, точнее ее главного луча). Таким образом, точность определения угловых координат равна половине ширины основного луча ДН антенны. Это первичная радиолокационная информация. На ее основе определяется вторичная – направление и скорость движения цели, траектория движения и ее прогноз и тд.

Для увеличения дальности обнаружения нужно увеличить значение амплитуды полезного сигнала на входе обнаружителя (порогового устройства). Или уменьшить мощность шума (дисперсию его закона распределения). Самое простое решение – согласовать полосу пропускания приемника с формой спектра отраженного сигнала. Белый шум имеет равномерный неограниченный спектр, мощность шумового сигнала на входе обнаружителя будет определяться спектральной мощностью шума и полосой пропускания, поэтому такое согласование дает определенный эффект. Значит чем уже спектр сигнала, тем больше положительный эффект такого решения. А чем уже спектр, тем больше длительность импульсного сигнала. С другой стороны, точность определения дальности тем выше, чем меньше длительность импульса, а дальность обнаружения – чем больше средняя мощность, то есть при фиксированной импульсной мощности, чем больше длительность импульса. Данное противоречие можно разрешить, посмотрев на вторую составляющую полного спектра сигнала – фазовый спектр. У шума он случайный. Хорошо бы создать сигнал, имеющий широкую амплитудную составляющую спектра, детерминированный (известный нам) фазовый спектр и большую длительность. Очень грубо говоря, можно было бы в некотором устройстве собрать с широкой полосы частот и сложить в фазе полезные составляющие спектра сигнала на фоне суммирования спектральных составляющих шума со случайной фазой. Да еще и получить узкий выходной импульс. Есть такие сигналы и есть такие устройства. Устройства называются оптимальные фильтры, а сигналы – широкобазовые сигналы. Не затрагивая вопросы теории оптимальной фильтрации, можно отметить одно свойство оптимального фильтра - при обработке сигнала, на который настроен фильтр, сигнал на выходе является автокорреляционной функцией входного сигнала. Вот и критерий для поиска сигналов, удовлетворяющих поставленному требованию – увеличения амплитуды и уменьшение длительности его автокорреляционной функции (выходного сигнала после оптимального фильтра) по сравнению с исходным сигналом. Никакой амплитудной модуляцией данное требование не выполнить, а вот частотная/фазовая модуляция несущей внутри импульса вполне годится. Такая модуляция называется внутримпульсной. Например линейно-частотно модулированный импульс (ЛЧМ). Это импульс, частота несущей которого линейно возрастает или убывает в зависимости от времени. Оптимальным фильтром для ЛЧМ сигнала является дисперсная линия задержки, у которой величина задержки линейно возрастает или убывает в зависимости от частоты. Тогда на выходе будем иметь узкий и высокий сигнал, что собственно и требовалось. Степень сужения и увеличения амплитуды сигнала с выхода оптимального фильтра определяется базой сигнала, то есть произведением ширины спектра на длительность импульса. Чем больше база сигнала, тем больше полезный эффект оптимальной фильтрации. ЛЧМ импульс является простейшим представителем широкобазовых сигналов. Более сложными являются частотно/фазомодулированные импульсы, где законом модуляции служит специальная кодовая последовательность. Отличительной особенностью сигналов с широкой базой является их амплитудный спектр, он равномерен во всей полосе частот. Что характерно для окрашенного шума. Иногда широкобазовые сигналы называют псевдошумовыми. Применение их позволяет снизить импульсную мощность сигнала путем увеличения длительности импульса при сохранении средней мощности (а значит дальности обнаружения) и точности определения дальности. Это дает массу положительных эффектов как в части облегчения режимов работы передатчика (его импульсная мощность принципиально ограничена пробивным напряжением элементов конструкции передатчика и антенно-фидерного тракта), так и повышения помехоустойчивости и скрытности работы всей РЛС. Кстати, идеальный белый шум имеет в качестве автокорреляционной функции дельта-функцию, сигнал нулевой длительности, бесконечной амплитуды и площадью, равной энергии сигнала. Идеальный зондирующий сигнал для радиолокации. Но не реализуемый из-за своей математической абстракции, так как имеет равномерный бесконечный спектр.