Помехи (радар)

редактировать
Другой радар артефакт загромождают экран радара.

Используемый термин для нежелательных эхосигналов в электронных системах, особенно в отношении радаров. Такие эхо-сигналы обычно отражаются от земли, моря, дождя, животных / насекомых, соломы и атмосферных турбулентностей и могут вызвать серьезные проблемы с производительностью радиолокационных систем.

Содержание
  • 1 Коэффициент обратного рассеяния
  • 2 Радиолокатор с ограничением помех или шумом
  • 3 Объемные помехи
    • 3.1 Проблемы при вычислении отношения сигнал / объемные помехи
  • 4 Помехи на поверхности
    • 4.1 Заполнение луча
    • 4.2 Случай с ограничением длины импульса
    • 4.3 Проблемы с вычислением помех для случая с ограничением длины импульса
    • 4.4 Случай с ограничением ширины луча
    • 4.5 Общие проблемы при вычислении помех на поверхности
  • 5 См. Также
  • 6 Источники
Коэффициент обратного рассеяния

То, что один человек считает помехой, другой может считать целью. Тем не менее, цели обычно относятся к точечным рассеивателям, а помехи - к расширенным рассеивателям (охватывающим многие диапазоны, углы и доплеровские ячейки). Беспорядок может заполнять объем (например, дождь) или ограничиваться поверхностью (например, сушей). В принципе, все, что требуется для оценки отраженного сигнала радара (обратного рассеяния) от области помех, - это знание объема или освещенной поверхности и эхо-сигнала на единицу объема η или на единицу площади поверхности σ ° (коэффициент обратного рассеяния).

Радар с ограничением помех или помехами

В дополнение к любым возможным помехам всегда будет шум. Таким образом, общий сигнал, конкурирующий с отраженным от цели, представляет собой помехи плюс шум. На практике часто либо беспорядок отсутствует, либо преобладает беспорядок, и шум можно игнорировать. В первом случае радар называется Noise Limited, во втором - Clutter Limited.

Объемные помехи

Дождь, град, снег и солома являются примерами объемных помех. Например, предположим, что воздушная цель на расстоянии R {\ displaystyle R}R находится в пределах дождя. Как это влияет на обнаруживаемость цели?

Рис. 1. Иллюстрация освещенной камеры дождя

Сначала определите величину отражения от помех. Предположим, что беспорядок заполняет ячейку, содержащую цель, что рассеиватели статистически независимы и что рассеиватели равномерно распределены по объему. Объем беспорядка, освещаемого импульсом, можно рассчитать по ширине луча и длительности импульса, рис. 1. Если c - скорость света, а τ {\ displaystyle \ tau}\ tau - длительность времени. переданного импульса, то импульс, возвращающийся от цели, эквивалентен физической протяженности c τ {\ displaystyle \ tau}\ tau , как и возврат от любого отдельного элемента помехи. Ширина луча по азимуту и ​​углу места в диапазоне R {\ displaystyle R}R составляет θ / 2 {\ displaystyle \ theta / 2}\ theta / 2 и ϕ / 2 {\ displaystyle \ phi / 2}\ phi / 2 соответственно, если предполагается, что освещенная ячейка имеет эллиптическое поперечное сечение.

Объем освещенной ячейки таким образом:

V m = π R tan ⁡ (θ / 2) R tan ⁡ (ϕ / 2) (c τ / 2) {\ displaystyle \ V_ { m} = \ pi R \ tan (\ theta / 2) R \ tan (\ phi / 2) (c \ tau / 2)}\ V_ {m} = \ pi R \ tan (\ theta / 2) R \ tan (\ phi / 2) (c \ tau / 2)

Для малых углов это упрощается до:

V m ≈ π 4 ( Р θ) (р ϕ) (с τ / 2) {\ Displaystyle \ V_ {m} \ приблизительно {\ гидроразрыва {\ pi} {4}} (R \ theta) (R \ phi) (с \ тау / 2)}\ V_ {m} \ приблизительно {\ 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 отражения от объема рассчитывается так же, как для обычного уравнения радара, но поперечное сечение радара заменяется произведением коэффициента обратного рассеяния объема, η {\ displaystyle \ eta}\ eta и объем мешающих ячеек, как указано выше. Тогда возврат беспорядка будет

C = P t G t A r (4 π) 2 R 4 π 4 (R θ) (R ϕ) (c τ / 2) η {\ 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}\ 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

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

Необходимо внести поправку, чтобы учесть тот факт, что освещение препятствий не является равномерным 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

C = P t G t A r 2 log ⁡ 2 (4 π) 2 R 4 π 4 (R θ) (R ϕ) (c τ / 2) η {\ 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}\ 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:

A r = G λ 2 4 π {\ displaystyle \ A_ {r} = {\ frac {G \ lambda ^ {2}} {4 \ pi}}}\ A_ {r} = {\ frac {G \ lambda ^ {2}} {4 \ pi}}

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

G = π 2 θ ϕ {\ displaystyle \ G = {\ frac {\ pi ^ {2}} {\ theta \ phi}}}\ G = {\ frac {\ pi ^ {2}} {\ theta \ phi}}

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

C = P t G λ 2 1024 (log ⁡ 2) R 2 c τ η {\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G \ lambda ^ {2}} {1024 (\ log 2) R ^ {2}}} c \ tau \ eta}\ C = {\ frac {P_ {t} G \ lambda ^ {2}} {1024 (\ log 2) R ^ {2}}} c \ tau \ eta

Если возвращаемая мощность препятствия больше, чем мощность шума системы, то радар ограничен помехами, а отношение сигнал / помехи должно быть равно или больше минимального отношения сигнал / шум, чтобы цель могла быть обнаружена.

Из уравнения радара возврат от самой цели будет

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

с результирующим выражением для сигнала коэффициент отражения

SC = 1024 (журнал ⁡ 2) G σ (4 π) 3 R 2 c τ η {\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {1024 (\ log 2) G \ sigma} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {2} c \ tau \ eta}}}\ {\ 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 обратная четвертая степень. Уменьшение расстояния вдвое приведет к увеличению (улучшению) отношения сигнал / шум в 16 раз. Когда радар ограничен объемными помехами, однако, изменение является обратным квадратичным законом, и уменьшение расстояния вдвое приведет к улучшению помех в сигнале. всего в 4 раза.

Поскольку

G = π 2 θ ϕ {\ displaystyle \ G = {\ frac {\ pi ^ {2}} {\ theta \ phi}}}\ G = {\ frac {\ pi ^ {2}} {\ theta \ phi}}

, следует, что

SC = 16 (журнал ⁡ 2) σ π R 2 θ ϕ с τ η {\ Displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {16 (\ log 2) \ sigma} {\ pi R ^ {2} \ theta \ phi c \ tau \ eta}}}{\ displaystyle \ {\ frac { S} {C}} = {\ frac {16 (\ log 2) \ sigma} {\ pi R ^ {2} \ theta \ phi c \ tau \ eta}}}

Явно узкая ширина луча и короткие импульсы необходимы для уменьшения эффекта помех за счет уменьшения объема ячейки помех. Если используется сжатие импульсов, тогда подходящая длительность импульса, которая будет использоваться в вычислении, - это длительность сжатого импульса, а не передаваемого импульса.

Проблемы при вычислении отношения помехового сигнала к объему

Проблема с объемным беспорядком, например дождь, состоит в том, что освещенный объем может быть заполнен не полностью, и в этом случае должна быть известна заполненная фракция, а рассеиватели не могут быть распределены равномерно. Рассмотрим луч высотой 10 °. На дальности 10 км луч мог охватывать от уровня земли до высоты 1750 метров. На уровне земли может быть дождь, но верхняя часть луча может быть выше уровня облаков. В части луча, содержащей дождь, количество осадков не будет постоянным. Чтобы точно оценить помехи и отношение сигнала к помехам, необходимо знать, как распределялся дождь. Все, что можно ожидать от уравнения, - это оценка с точностью до 5 или 10 дБ.

Поверхностные помехи

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

Заполнение луча

Рис. 2. Иллюстрация отражения отражения от поверхности с большим и низким углом

Для цели, находящейся близко к поверхности Земли, так что Земля и цель находятся в одной и той же ячейке разрешения диапазона один из двух условия возможны. Наиболее распространенный случай - когда луч пересекает поверхность под таким углом, что область, освещенная в любой момент времени, составляет лишь часть поверхности, пересекаемой лучом, как показано на рисунке 2.

Случай с ограничением длины импульса

Для случая ограниченной длительности импульса освещаемая область зависит от азимутальной ширины луча и длительности импульса, измеренной вдоль поверхности. Освещенный участок имеет ширину по азимуту

2 R tan ⁡ θ / 2 {\ displaystyle \ 2R \ tan \ theta / 2}\ 2R \ tan \ theta / 2 .

Длина, измеренная по поверхности, составляет

(c τ / 2) sec ⁡ ψ {\ displaystyle \ (c \ tau / 2) \ sec \ psi}\ (c \ tau / 2) \ sec \ psi .

Площадь, освещаемая радаром, тогда определяется как

A = 2 R (c τ / 2) (tan ⁡ θ / 2) sec ⁡ ψ {\ displaystyle \ A = 2R (c \ tau / 2) (\ tan \ theta / 2) \ sec \ psi}\ A = 2R (c \ тау / 2) (\ тан \ тета / 2) \ sec \ psi

Для «малой» ширины луча это примерно равно

A = R ( c τ / 2) θ sec ⁡ ψ {\ displaystyle \ A = R (c \ tau / 2) \ theta \ sec \ psi}\ A = R (c \ tau / 2) \ theta \ sec \ psi

Тогда возврат беспорядка будет

C = P t G 2 λ 2 ( 4 π) 3 р 4 A σ о {\ Displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4} }} A \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4}}} A \ sigma ^ {o} Вт

Подстановка вместо освещенной области A {\ displaystyle A}A

C = c 2 7 π 3 P t G 2 λ 2 R 3 τ θ сек ⁡ ψ σ о {\ Displaystyle \ C = {\ frac {c} {2 ^ {7} \ pi ^ {3}}} {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {R ^ {3}}} \ tau \ theta \ sec \ psi \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {c} {2 ^ {7} \ pi ^ {3}}} {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {R ^ {3}}} \ tau \ theta \ sec \ psi \ sigma ^ {o} Вт

где σ o {\ displaystyle \ sigma ^ {o}}\ sigma ^ {o} - это спина коэффициент рассеяния препятствий. Преобразование θ {\ displaystyle \ theta}\ theta в градусы и ввод числовых значений дает

C = 1300 P t G 2 λ 2 R 3 τ θ o sec ⁡ ψ σ o {\ displaystyle \ C = 1300 {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {R ^ {3}}} \ tau \ theta ^ {o} \ sec \ psi \ sigma ^ {o }}\ C = 1300 {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {R ^ {3}}} \ tau \ theta ^ {o} \ sec \ psi \ sigma ^ {o} Ватт

Выражение для целевой отдачи остается неизменным, таким образом, отношение сигнала к помехам составляет

SC = 1 1300 R 3 P t G 2 λ 2 1 τ θ сек ⁡ ψ σ o П T G 2 λ 2 (4 π) 3 R 4 σ {\ 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}\ {\ 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 Ватт

Это упрощается до

SC = 4 × 10-7 соз ⁡ ψ р τ θ σ σ о {\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = 4 \ times 10 ^ {- 7} {\ frac {\ cos \ psi} {R \ tau \ theta}} {\ frac {\ sigma} {\ sigma ^ {o}}}}\ {\ 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 ( в два раза лучше энт).

Проблемы при вычислении помех для случая ограниченной длительности импульса

Существует ряд проблем при вычислении отношения сигнала к помехам. Помехи в главном луче расширяются в диапазоне углов скольжения, а коэффициент обратного рассеяния зависит от угла скольжения. Помехи появятся в кадре, что опять-таки будет связано с различными углами скольжения и может даже включать помехи иного характера.

Случай с ограничением ширины луча

Расчет аналогичен предыдущим примерам, в этом случае освещенная область равна

A = π R 2 tan 2 ⁡ θ / 2 {\ displaystyle \ A = \ pi R ^ {2} \ tan ^ {2} \ theta / 2}\ A = \ pi R ^ { 2} \ tan ^ {2} \ theta / 2

, что для малых значений ширины луча упрощается до

A ≈ π R 2 θ 2/4 {\ displaystyle \ A \ приблизительно \ pi R ^ {2} \ theta ^ {2} / 4}\ A \ приблизительно \ pi R ^ {2} \ theta ^ {2} / 4

Возврат беспорядка такой же, как и раньше

C = P t G 2 λ 2 (4 π) 3 R 4 A σ o {\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4}}} A \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4}}} A \ sigma ^ {o} Ватт

Замена освещенной области A {\ displaystyle A}A

C = P t G 2 λ 2 (4 π) 3 R 4 π R 2 (θ / 2) 2 σ o {\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4}}} \ pi R ^ {2} (\ theta / 2) ^ {2} \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2 }} {(4 \ pi) ^ {3} R ^ {4}}} \ pi R ^ {2} (\ theta / 2) ^ {2} \ sigma ^ {o} Ватт

Это можно упростить до:

C = P t G 2 λ 2 4 4 π 2 R 2 θ 2 σ о {\ Displaystyle \ C = {\ гидроразрыва {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {4 ^ {4} \ pi ^ {2} R ^ {2}}} \ theta ^ {2} \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} {4 ^ {4} \ pi ^ {2} R ^ {2}}} \ theta ^ {2} \ sigma ^ {o} Вт

Преобразование θ {\ displaystyle \ theta}\ theta в градусы

С = п T G 2 λ 2 4 4 R 2 (θ о / 180) 2 σ о {\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ {2}} { 4 ^ {4} R ^ {2}}} (\ theta ^ {o} / 180) ^ {2} \ sigma ^ {o}}\ C = {\ frac {P_ {t} G ^ {2} \ lambda ^ { 2}} {4 ^ {4} R ^ {2}}} (\ theta ^ {o} / 180) ^ {2} \ sigma ^ {o} Ватт

Целевая отдача остается неизменной, поэтому

SC = 4 4 р 2 п t G 2 λ 2 (180 / θ о) 2 1 σ о п t G 2 λ 2 (4 π) 3 R 4 σ {\ 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}\ {\ 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 упрощается до

SC = 5.25 × 10 4 1 θ o 2 R 2 σ σ o {\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = 5.25 \ times 10 ^ { 4} {\ frac {1} {\ theta ^ {o2} R ^ {2}}} {\ frac {\ sigma} {\ sigma ^ {o}}}}\ {\ frac {S} {C}} = 5,25 \ times 10 ^ {4} {\ frac {1} {\ theta ^ {o2} R ^ {2}}} {\ frac {\ sigma} {\ sigma ^ {o}}}

Как и в случае с Volume Clutter, Отношение сигнал / помехи подчиняется закону обратных квадратов.

Общие проблемы при расчете поверхностных помех

Общая значительная проблема заключается в том, что коэффициент обратного рассеяния, как правило, невозможно вычислить и должен быть измерен. Проблема заключается в достоверности измерений, выполненных в одном месте при одном наборе условий, используемых для другого места при разных условиях. Существуют различные эмпирические формулы и графики, которые позволяют сделать оценку, но результаты следует использовать с осторожностью.

См. Также
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-15 12:32:37
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте