Помехи (радар)

Нежелательные отголоски

Различные артефакты радара , загромождающие дисплей радара

Помехи ^{[1] [2]} — это нежелательные отражения (эхо) в электронных системах, особенно в отношении радаров . Такие эхо обычно возвращаются от земли , моря, дождя, животных/насекомых, мякины и атмосферных турбулентностей и могут вызывать серьезные проблемы с производительностью радиолокационных систем. То, что один человек считает нежелательными помехами, другой может считать желанной целью. Однако цели обычно относятся к точечным рассеивателям, а помехи — к протяженным рассеивателям (охватывающим множество диапазонов, углов и доплеровских ячеек). Помехи могут заполнять объем (например, дождь) или быть ограничены поверхностью (например, землей). Знание объема или площади освещенной поверхности требуется для оценки эха на единицу объема, η, или эха на единицу площади поверхности, σ° ( коэффициент обратного рассеяния радара ).

Причины

Помехи могут быть вызваны искусственными объектами, такими как здания, и — намеренно — радиолокационными контрмерами, такими как шелуха . Другие причины включают естественные объекты, такие как особенности рельефа, море, осадки , град , пылевые бури , птицы, турбулентность в атмосферной циркуляции и метеорные следы. Помехи на радаре также могут быть вызваны другими атмосферными явлениями, такими как возмущения в ионосфере, вызванные геомагнитными бурями или другими космическими погодными явлениями. Это явление особенно заметно вблизи геомагнитных полюсов , где воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли создает конвекционные узоры в ионосферной плазме . ^[3] Помехи на радаре могут ухудшить способность загоризонтного радара обнаруживать цели. ^{[3] [4]} Помехи также могут возникать из-за многолучевых эхо-сигналов от действительных целей, вызванных отражением от земли , атмосферными воздуховодами или ионосферным отражением / рефракцией (например, аномальным распространением ). Этот тип помех особенно раздражает, поскольку он движется и ведет себя как обычные объекты интереса, такие как самолеты или метеозонды .

Радар с ограничением помех или шумов

Электромагнитные сигналы, обрабатываемые приемником радара, состоят из трех основных компонентов: полезный сигнал (например, эхо от самолета), помехи и шум . Таким образом, общий сигнал, конкурирующий с ответом цели, представляет собой помеху плюс шум. ^[5] На практике помехи часто отсутствуют или преобладают помехи, и шум можно игнорировать. В первом случае говорят, что радар ограничен по шуму, а во втором — по помехам.

Громкость беспорядка

Рисунок 1. Иллюстрация освещенной дождевой ячейки

Дождь, град, снег и шелуха являются примерами помех в объеме. Например, предположим, что воздушная цель на расстоянии находится в пределах ливня. Каково влияние на обнаруживаемость цели? ${\displaystyle R}$

Сначала найдите величину отраженного шума. Предположим, что шум заполняет ячейку, содержащую цель, что рассеиватели статистически независимы и что рассеиватели равномерно распределены по объему. Объем шума, освещенный импульсом, можно рассчитать из ширины луча и длительности импульса, рисунок 1. Если c — скорость света, а — длительность переданного импульса, то импульс, возвращающийся от цели, эквивалентен физической протяженности c , как и возврат от любого отдельного элемента шума. Ширина луча по азимуту и ​​углу места на расстоянии , равна и соответственно, если предполагается, что освещенная ячейка имеет эллиптическое поперечное сечение. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \theta /2}$ ${\displaystyle \phi /2}$

Объем освещенной ячейки таким образом равен:

${\displaystyle \ V_{m}=\pi R\tan(\theta /2)R\tan(\phi /2)(c\tau /2)}$

Для малых углов это упрощается до:

${\displaystyle \ V_{m}\approx {\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)}$

Предполагается, что помехи представляют собой большое количество независимых рассеивателей, которые равномерно заполняют ячейку, содержащую цель. Возврат помех от объема рассчитывается так же, как для обычного уравнения радара , но эффективная площадь рассеяния радара заменяется произведением коэффициента обратного рассеяния объема , и объема ячейки помех, как выведено выше. Тогда возврат помех равен ${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

где

• ${\displaystyle P_{t}}$= мощность передатчика (Вт)
• ${\displaystyle G_{t}}$= усиление передающей антенны
• ${\displaystyle A_{r}}$= эффективная апертура (площадь) приемной антенны
• ${\displaystyle R}$= расстояние от радара до цели

Необходимо внести поправку, чтобы учесть тот факт, что освещение помех неравномерно по всей ширине луча. На практике форма луча будет приближаться к функции sinc , которая сама приближается к гауссовой функции . Поправочный коэффициент находится путем интегрирования по ширине луча гауссовой аппроксимации антенны. Скорректированная мощность обратного рассеяния равна

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{2\log 2(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

Можно сделать ряд упрощающих замен. Апертура приемной антенны связана с ее усилением соотношением:

${\displaystyle \ A_{r}={\frac {G\lambda ^{2}}{4\pi }}}$

а усиление антенны связано с двумя значениями ширины луча следующим образом:

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

Обычно для передачи и приема используется одна и та же антенна, поэтому мощность принимаемых помех составляет:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G\lambda ^{2}}{1024(\log 2)R^{2}}}c\tau \eta }$

Если мощность отраженного шума больше мощности шума системы, то радар ограничен помехами, а отношение сигнал/помеха должно быть равно или больше минимального отношения сигнал/шум, чтобы цель была обнаружена.

Из уравнения радара ответ от самой цели будет

${\displaystyle \ S={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

с результирующим выражением для отношения сигнала к помехе

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1024(\log 2)G\sigma }{(4\pi )^{3}R^{2}c\tau \eta }}}$

Подразумевается, что когда радар ограничен шумом, изменение отношения сигнал/шум обратно пропорционально четвертой степени. Уменьшение расстояния вдвое приведет к увеличению (улучшению) отношения сигнал/шум в 16 раз. Однако, когда радар ограничен шумом объема, изменение является законом обратных квадратов, и уменьшение расстояния вдвое приведет к улучшению отношения сигнал/шум всего в 4 раза.

С

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

следует, что

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {16(\log 2)\sigma }{\pi R^{2}\theta \phi c\tau \eta }}}$

Очевидно, что для уменьшения эффекта помех за счет уменьшения объема ячейки помех требуются узкие лучи и короткие импульсы. Если используется сжатие импульса , то подходящей длительностью импульса, используемой в расчетах, является длительность сжатого импульса, а не переданного импульса.

Проблемы с расчетом отношения сигнал/объем помехи

Проблема с помехами объема, например, дождем, заключается в том, что освещенный объем может быть заполнен не полностью, в этом случае заполненная доля должна быть известна, а рассеиватели могут быть распределены неравномерно. Рассмотрим луч с углом возвышения 10°. На расстоянии 10 км луч может охватывать от уровня земли до высоты 1750 метров. На уровне земли может идти дождь, но верхняя часть луча может быть выше уровня облаков. В части луча, содержащей дождь, интенсивность осадков не будет постоянной. Нужно знать, как распределялся дождь, чтобы сделать какую-либо точную оценку помех и отношения сигнала к помехам. Все, что можно ожидать от уравнения, — это оценка с точностью до ближайших 5 или 10 дБ.

Поверхностный беспорядок

Возврат помех от поверхности зависит от характера поверхности, ее шероховатости, угла скольжения (угол, который луч образует с поверхностью), частоты и поляризации. Отраженный сигнал представляет собой векторную сумму большого количества отдельных возвратов от различных источников, некоторые из которых способны двигаться (листья, капли дождя, рябь), а некоторые из них неподвижны (пилоны, здания, стволы деревьев). Отдельные образцы помех изменяются от одной ячейки разрешения к другой (пространственная вариация) и изменяются со временем для данной ячейки (временная вариация).

Заполнение луча

Рисунок 2. Иллюстрация освещения поверхности под высоким и низким углом

Для цели, близкой к поверхности Земли, так что Земля и цель находятся в одной и той же ячейке разрешения по дальности, возможны два варианта. Наиболее распространенный случай — когда луч пересекает поверхность под таким углом, что площадь, освещенная в любой момент времени, составляет лишь часть поверхности, пересекаемой лучом, как показано на рисунке 2.

Случай с ограниченной длительностью импульса

Для случая ограниченной длины импульса освещенная площадь зависит от азимутальной ширины луча и длины импульса, измеренной вдоль поверхности. Освещенный участок имеет ширину по азимуту

${\displaystyle \ 2R\tan \theta /2}$.

Длина, измеренная вдоль поверхности, равна

${\displaystyle \ (c\tau /2)\sec \psi }$.

Площадь, освещенная радаром, определяется по формуле:

${\displaystyle \ A=2R(c\tau /2)(\tan \theta /2)\sec \psi }$

Для «малых» значений ширины луча это приблизительно равно

${\displaystyle \ A=R(c\tau /2)\theta \sec \psi }$

Тогда возврат беспорядка будет

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ Ваттс

Замена освещенной области ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {c}{2^{7}\pi ^{3}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}$ Ваттс

где - коэффициент обратного рассеяния помех. Преобразование в градусы и подстановка числовых значений дает ${\displaystyle \sigma ^{o}}$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C=1300{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta ^{o}\sec \psi \sigma ^{o}}$ Ваттс

Выражение для отраженного сигнала от цели остается неизменным, поэтому отношение сигнала к помехе равно

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1}{1300}}{\frac {R^{3}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}{\frac {1}{\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$ Ваттс

Это упрощает

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=4\times 10^{-7}{\frac {\cos \psi }{R\tau \theta }}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

В случае поверхностного шума отношение сигнала к шуму теперь обратно пропорционально R. Уменьшение расстояния вдвое приводит только к удвоению отношения (улучшение в два раза).

Проблемы расчета помех для случая ограниченной длины импульса

Существует ряд проблем при расчете отношения сигнал/помеха. Помехи в главном луче распространяются на диапазон углов скольжения, а коэффициент обратного рассеяния зависит от угла скольжения. Помехи будут появляться в боковых лепестках антенны, что снова будет включать диапазон углов скольжения и может даже включать помехи другой природы.

Случай ограничения ширины луча

Расчет аналогичен предыдущим примерам, в данном случае освещенная площадь равна

${\displaystyle \ A=\pi R^{2}\tan ^{2}\theta /2}$

что для малой ширины луча упрощается до

${\displaystyle \ A\approx \pi R^{2}\theta ^{2}/4}$

Возвращение беспорядка такое же, как и прежде.

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ Ваттс

Замена освещенной области ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\pi R^{2}(\theta /2)^{2}\sigma ^{o}}$ Ваттс

Это можно упростить следующим образом:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}\pi ^{2}R^{2}}}\theta ^{2}\sigma ^{o}}$ Ваттс

Перевод в градусы ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}R^{2}}}(\theta ^{o}/180)^{2}\sigma ^{o}}$ Ваттс

Целевой доход остается неизменным, таким образом

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {4^{4}R^{2}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}(180/\theta ^{o})^{2}{\frac {1}{\sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

Что упрощает

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=5.25\times 10^{4}{\frac {1}{\theta ^{o2}R^{2}}}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

Как и в случае с объемными помехами, отношение сигнала к помехам подчиняется закону обратных квадратов.

Общие проблемы расчета загромождений поверхности

Общая существенная проблема заключается в том, что коэффициент обратного рассеяния в общем случае не может быть рассчитан и должен быть измерен. Проблема заключается в обоснованности измерений, полученных в одном месте при одних условиях, используемых для другого места при других условиях. Существуют различные эмпирические формулы и графики, которые позволяют сделать оценку, но результаты следует использовать с осторожностью.

Складывание беспорядка

Сворачивание помех — это термин, используемый для описания «помех», которые видят радиолокационные системы. Сворачивание помех становится проблемой, когда дальность действия помех (видимых радаром) превышает интервал частоты повторения импульсов радара, и он больше не обеспечивает адекватного подавления помех, и помехи «сворачиваются» обратно в диапазоне. ^[6] Решение этой проблемы обычно заключается в добавлении заполняющих импульсов к каждому когерентному останову радара, увеличивая диапазон, в котором подавление помех применяется системой.

Недостатком такого подхода является то, что добавление заполняющих импульсов приведет к ухудшению производительности из-за потери мощности передатчика и более длительного времени задержки .

Ссылки

1. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G. (июль 2019 г.). «Обнаружение помех от земли для метеорологического радара с двойной поляризацией с использованием новой трехмерной дискриминантной функции». Журнал атмосферных и океанических технологий . 36 (7): 1285–1296. Bibcode : 2019JAtOT..36.1285G. doi : 10.1175/JTECH-D-18-0147.1 .
2. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G.; Li Y.; Doviak RJ (июнь 2016 г.). «Обнаружение помех от земли с помощью метеорологического радара с использованием метода двойной поляризации и двойного сканирования». Атмосфера . 7 (6): 83. Bibcode : 2016Atmos...7...83G. doi : 10.3390/atmos7060083 .
3. Riddolls, Ryan J (декабрь 2006 г.). Канадская перспектива высокочастотного загоризонтного радара (PDF) (технический отчет). Оттава, Онтарио, Канада: Defense Research and Development Canada . стр. 38. DRDC Ottawa TM 2006-285 . Получено 2 декабря 2023 г.
4. Элкинс, Т.Дж. (март 1980 г.). Модель высокочастотных помех от полярных сияний радара (PDF) (технический отчет). Технические отчеты RADC. Том 1980. Рим, Нью-Йорк: Rome Air Development Center . стр. 9. RADC-TR-80-122 . Получено 2 декабря 2023 г.
5. «Помехи на радаре | SKYbrary Авиационная безопасность».
6. В. Грегерс-Хансен, Подавление помех с использованием амплитудно-взвешенных сигналов 1997, doi :10.1049/cp:19971786