Беспорядок (радар)

Нежелательное эхо

Различные радиолокационные артефакты, загромождающие дисплей радара.

Помехи ^{[1] [2]} — это термин, используемый для обозначения нежелательных эхо-сигналов в электронных системах, особенно в отношении радаров . Такие эхо-сигналы обычно возвращаются от земли, моря, дождя, животных/насекомых, соломы и атмосферных турбулентностей и могут вызывать серьезные проблемы с работой радиолокационных систем. То, что один человек считает нежелательным беспорядком, другой может считать желанной целью. Однако цели обычно относятся к точечным рассеивателям, а помехи — к расширенным рассеивателям (охватывающим множество диапазонов, углов и доплеровских ячеек). Беспорядок может заполнять объем (например, дождь) или ограничиваться поверхностью (например, землей). Знание освещаемого объема или площади поверхности необходимо для оценки эха на единицу объема, η, или эха на единицу площади поверхности, σ° ( коэффициент обратного рассеяния радара ).

Причины

Беспорядки могут быть вызваны искусственными объектами, такими как здания, а также — намеренно — средствами радиолокационного противодействия, такими как солома . Другие причины включают природные объекты, такие как особенности местности, море, осадки , град , пыльные бури , птицы, турбулентность в атмосферной циркуляции и метеоритные следы. Помехи на радарах также могут быть вызваны другими атмосферными явлениями, такими как возмущения в ионосфере , вызванные геомагнитными бурями или другими явлениями космической погоды . Это явление особенно проявляется вблизи геомагнитных полюсов , где действие солнечного ветра на магнитосферу Земли вызывает конвекцию в ионосферной плазме . ^[3] Помехи на радаре могут ухудшить способность загоризонтного радара обнаруживать цели. ^{[3] [4]} Помехи также могут возникать из-за многолучевого отражения от реальных целей, вызванного отражением от земли , атмосферным волноводом или ионосферным отражением / преломлением (например, аномальным распространением ). Этот тип помех особенно неприятен, поскольку кажется, что он движется и ведет себя как обычные объекты, представляющие интерес, такие как самолеты или метеозонды .

Радар с ограничением помех или шума

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 целевым возвратом, представляет собой помехи плюс шум. ^[5] На практике часто беспорядок либо отсутствует, либо беспорядок преобладает, и шум можно игнорировать. В первом случае говорят, что радар ограничен по помехам, а во втором - по помехам.

Объемный беспорядок

Рисунок 1. Иллюстрация освещенного дождевого элемента

Дождь, град, снег и мякина являются примерами объемного беспорядка. Например, предположим, что воздушная цель на расстоянии находится в зоне ливня. Как это влияет на обнаруживаемость цели? ${\displaystyle R}$

Сначала найдите величину возврата помех. Предположим, что помеха заполняет ячейку, содержащую цель, что рассеиватели статистически независимы и что рассеиватели равномерно распределены по объему. Объем помех, освещаемых импульсом, можно рассчитать по ширине луча и длительности импульса, рис. 1. Если c — скорость света и длительность передаваемого импульса, то импульс, возвращающийся от цели, эквивалентен физическому степень c , как и отдача от любого отдельного элемента беспорядка. Ширина луча по азимуту и ​​углу места в диапазоне равна и соответственно, если предполагается, что освещенная ячейка имеет эллиптическое поперечное сечение. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \theta /2}$ ${\displaystyle \phi /2}$

Таким образом, объем освещенной ячейки равен:

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

Для небольших углов это упрощается до:

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

Предполагается, что помехой является большое количество независимых рассеивателей, равномерно заполняющих ячейку, содержащую мишень. Возврат помех из объема рассчитывается так же, как и для обычного уравнения радиолокации , но радиолокационное сечение заменяется произведением коэффициента объемного обратного рассеяния , и объема ячейки помех, полученного выше. Тогда беспорядок возвращается. ${\displaystyle \eta }$

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

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 ширине луча. На практике форма луча будет приближаться к функции sinc , которая сама приближается к функции Гаусса . 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 следующим образом:

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

а усиление антенны связано с двумя ширинами луча следующим образом:

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

Одна и та же антенна обычно используется как для передачи, так и для приема, поэтому принимаемая мощность помех равна:

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

Если мощность отражения помех превышает мощность шума системы, то радар ограничен помехами, и для того, чтобы цель могла быть обнаружена, отношение сигнал/помеха должно быть равно или больше минимального отношения сигнал/шум.

Из уравнения радиолокации возврат от самой цели будет равен

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

с результирующим выражением для отношения сигнала к помехам

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

Это означает, что когда радар ограничен по шуму, 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 объемными помехами, изменение представляет собой закон обратных квадратов, и уменьшение расстояния вдвое приведет к улучшению помех в сигнале. всего в 4 раза.

С

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

следует, что

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

Четко узкая ширина луча и короткие импульсы необходимы для уменьшения эффекта помех за счет уменьшения объема ячейки помех. Если используется сжатие импульса , то в расчетах будет использоваться длительность сжатого импульса, а не передаваемого импульса.

Проблемы расчета соотношения сигнала и громкости помех

Проблема с объемными помехами, например дождем, заключается в том, что освещенный объем может быть заполнен не полностью, и в этом случае необходимо знать долю заполнения, а рассеиватели могут быть распределены неравномерно. Рассмотрим луч с углом возвышения 10°. На дальности 10 км луч мог охватывать территорию от уровня земли до высоты 1750 метров. На уровне земли может идти дождь, но верхняя часть луча может находиться выше уровня облаков. В части балки, содержащей дождь, интенсивность осадков не будет постоянной. Чтобы точно оценить помехи и соотношение сигнала к помехам, необходимо знать, как распределялся дождь. Все, что можно ожидать от уравнения, — это оценку с точностью до 5 или 10 дБ.

Беспорядок на поверхности

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

Заполнение балки

Рисунок 2. Иллюстрация освещения помех от поверхности под большим и под большим углом.

Для цели, расположенной близко к поверхности Земли, так что земля и цель находятся в одной и той же ячейке разрешения по дальности, возможно одно из двух условий. Наиболее распространенным случаем является ситуация, когда луч пересекает поверхность под таким углом, что освещенная область в любой момент времени составляет лишь часть поверхности, пересекаемой лучом, как показано на рисунке 2.

Случай ограничения длины импульса

В случае ограниченной длины импульса освещенная площадь зависит от ширины азимута луча и длины импульса, измеренной вдоль поверхности. Освещенное пятно имеет ширину по азимуту

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

Длина, измеренная вдоль поверхности, равна

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

Тогда площадь, освещаемая радаром, определяется выражением

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

Для «маленьких» значений ширины луча это приближается к

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

Тогда беспорядок возвращается.

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

Замена освещенной площади ${\displaystyle A}$

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

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

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

Выражение для целевой доходности остается неизменным, поэтому отношение сигнала к помехам равно

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

Это упрощает

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

В случае помех на поверхности сигнал к помехам теперь изменяется 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 сигнала к помехам. Помехи в главном луче распространяются на диапазон углов скольжения, а коэффициент обратного рассеяния зависит от угла скольжения. В боковых лепестках антенны появятся помехи, которые снова будут включать в себя диапазон углов скольжения и могут даже включать помехи другой природы.

Случай с ограниченной шириной луча

Расчет аналогичен предыдущим примерам, в этом случае освещенная площадь равна

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

что для небольшой ширины луча упрощается до

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

Беспорядок возвращается, как и раньше

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

Замена освещенной площади ${\displaystyle A}$

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

Это можно упростить до:

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

Преобразование в градусы ${\displaystyle \theta }$

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

Целевая доходность остается неизменной, 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 захламленности поверхности

Общая существенная проблема заключается в том, что коэффициент обратного рассеяния вообще не может быть рассчитан и его необходимо измерять. Проблема заключается в достоверности измерений, проведенных в одном месте при одном наборе условий, которые используются в другом месте и при других условиях. Существуют различные эмпирические формулы и графики, которые позволяют сделать оценку, но результаты следует использовать с осторожностью.

Беспорядок складной

Складывание помех — это термин, используемый для описания «беспорядков», видимых радиолокационными системами. Свертывание помех становится проблемой, когда дальность действия помех (видимых радаром) превышает интервал частоты повторения импульсов радара, и они больше не обеспечивают адекватного подавления помех, и помехи «складываются» обратно в зону действия. Решением этой проблемы обычно является добавление заполняющих импульсов к каждому когерентному периоду действия радара, увеличивая диапазон, в котором система подавляет помехи.

Платой за это является то , что добавление импульсов заполнения ухудшит производительность из-за потери мощности передатчика и увеличения времени задержки.

Рекомендации

1. Голбон-Хагиги, Миннесота; Чжан Г. (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. Бибкод : 2019JAtOT..36.1285G. doi : 10.1175/JTECH-D-18-0147.1 .
2. Голбон-Хагиги, Миннесота; Чжан Г.; Ли Ю.; Довиак Р.Дж. (июнь 2016 г.). «Обнаружение помех от земли с помощью метеорологического радара с использованием метода двойной поляризации и двойного сканирования». Атмосфера . 7 (6): 83. Бибкод : 2016Атмос...7...83Г. дои : 10.3390/atmos7060083 .
3. Риддоллс, Райан Дж (декабрь 2006 г.). Канадский взгляд на высокочастотный загоризонтный радар (PDF) (технический отчет). Оттава, Онтарио, Канада: Министерство оборонных исследований и разработок Канады . п. 38. DRDC Оттава ТМ 2006-285 . Проверено 2 декабря 2023 г.
4. Элкинс, TJ (март 1980 г.). Модель высокочастотных радиолокационных авроральных помех (PDF) (Технический отчет). Технические отчеты RADC. Том. 1980. Рим, Нью-Йорк: Римский центр развития авиации . п. 9. RADC-TR-80-122 . Проверено 2 декабря 2023 г.
5. "Помехи на радарах | Авиационная безопасность SKYbrary" .