Влияние антенны на характеристики радиолучевой системы обнаружения

Горбалысов М.С., Якимов А.Н. ВЛИЯНИЕ АНТЕННЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОЛУЧЕВОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ

Анализируется влияние параметров микроволновой антенны на основные характеристики двухпозиционной периметровой системы обнаружения радиолучевого типа. Рассматриваются возможности улучшения характеристик обнаружения за счет оптимизации антенн и минимизации влияния внешних воздействий. Даны рекомендации по совершенствованию существующих радиолучевых систем обнаружения.

Одним из наиболее важных узлов радиотехнических систем с радиоканалом, к которым относится и радиолучевая система обнаружения (РЛСО), является микроволновая антенна. В процессе эксплуатации антенна РЛСО находится в непосредственном соприкосновении с окружающей средой и подвергается её неблагоприятным воздействиям.

В двухпозиционных периметровых РЛСО (рис. 1) обычно используются большие остронаправленные антенны, поэтому изменения формы и размеров излучающей поверхности из-за тепловых воздействий, вследствие суточных и сезонных изменений температуры, перегрева солнечным излучением, а также из-за механических воздействий (ветровых и под тяжестью собственного веса), влияют на параметры антенны и системы в целом.

Рис. 1. Двухпозиционная система обнаружения

Учитывая сложный характер взаимодействия окружающей среды и РЛСО, а также множество факторов, влияющих на РЛСО, оценим влияние антенны только на некоторые из параметров такой системы. Для этого проведем расчет мощности принимаемого сигнала и ее зависимости от параметров антенны.

Мощность принимаемого сигнала Р2 рассчитывается по формуле уравнения мощности для двухпозиционной радиосистемы [1,2]:

0 0 оо2я2г

р2 = Р—,

2 1 (4я) Ян

где Р - мощность сигнала, излучаемого антенной передатчика; О , О - коэффициенты усиления

(КУ) передающей и приемной антенны соответственно; Я - длина волны излучения; Ян - наземная

дальность антенны приемника относительно антенны передатчика; Г - интерференционный множитель, учитывающий отражение электромагнитной волны от подстилающей поверхности (см. рис. 1).

В соответствии с формулой (1), коэффициенты усиления антенн влияют на уровень мощности принимаемого сигнала. При расчете коэффициентов усиления антенн учтем то, что обычно как для передачи, так и для приема сигналов используются одинаковые зеркальные, например, сегментно-параболические антенны с прямоугольной апертурой. Тогда

01 = О2 = 4^Т- [кисп ]ц  [кисп ]ь2 Па ,

Я

где $ - площадь апертуры антенны; [^п^ ,[кИсп]ь2 - коэффициенты использования поверхности рас-

крыва в вертикальной и горизонтальной плоскостях; Па - коэффициент полезного действия антенны.

Для зеркальных антенн типичным значением Па =0,7 [1]. Коэффициент использования поверхности

(КИП) раскрыва антенны в общем случае зависит от характеристики распределения поля в апертуре. Для расчета предположим, что размеры раскрывов сегментно-параболических антенн составляют 0,15мX

0,7м, [Аисп= [Аисп^ = 0,9 . Тогда О, = О2 = 2922 (34,657 дБ) .

Интерференционный множитель Г может быть рассчитан по формуле [2]:

Г = Го + Г = |г(6) + Г^) я р е

где Г0 - множитель сигнала, распространяющегося вдоль "прямого" луча; Г - множитель сигнала, распространяющегося через отраженный луч от подстилающей поверхности (см. рис. 1); Г(6) - функция, описывающая нормированную диаграмму направленности антенны в вертикальной плоскости; 6,6 -направления распространения прямой и отраженной волн; Пг - коэффициент расхождения при отражении от подстилающей поверхности; С = ^+р; Р - разность фаз прямой и отраженной волн; р,фу - модуль и фаза комплексного коэффициента отражения от подстилающей поверхности.

Формула (3) справедлива для плоской и сферической форм земной поверхности. Для плоской земной поверхности коэффициент расхождения Ог = 1 . Фазовый угол С представляет собой разность фаз прямой и отраженной волн в точке приемной антенны. Он равен сумме фазового угла отражения от земной поверхности и разности фаз р , обусловленной различием длин путей 6 прямой и отраженной волн, причем

р = 2 ж8 / Я.

Для расчета 6 радиолучевых систем можно применить следующее выражение:

6 « 2 ^^2 / Ян 5

где Ь , — высоты подъема соответственно передающей и приемной антенн системы над поверхностью Земли (см. рис. 1). Формула (5) верна, если Ян2 >> ^)2 .

Пусть высота установки приемной и передающей антенны = 1,5м , а расстояние между антенна-

ми Ян =100м (см. рис 1) . Для сухой и влажной почвы, при горизонтальной поляризации волны, фаза комплексного коэффициента отражения от подстилающей поверхности фг незначительно отличается от

180° и слабо зависит от угла падения волны. Если из-за большого расстояния между антеннами (по сравнению с высотой установки антенн и их габаритными размерами) углы падения волны на подстилающую поверхность изменяются не более чем на 1,5° , то модуль комплексного коэффициента отражения от подстилающей поверхности р«1 . Стоит отметить, что р зависит от шероховатости поверхности, но в данном случае используется модель гладкой поверхности. Также при вышеназванных условиях Г(62) ~1 . При точной юстировке антенн системы по максимуму принимаемой мощности и Г (6) = 1 получаем

3 = 0,045. Для длины волны /1 = 0,016м, широко используемой в РЛСО [3], р = 17,7° , а = 197,7° и по формуле (5) Г = 0,308 .

Предположим, что мощность передатчика Р = 50мВт . Для этих данных мощность принимаемого сигнала по формуле (1) составляет Р2 = 2,127 -10 5Вт .

Оценим влияние антенны на параметры системы.

К наиболее важным параметрам периметровых РЛСО [3] относятся геометрические размеры зоны обнаружения (ЗО), появление в которой объекта обнаружения вызывает возникновение полезного сигнала с

уровнем, превышающим уровень шума или помехи. При этом средство обнаружения (СО) должно обеспечивать заданную вероятность обнаружения РБ в этой зоне.

Другим важными параметром СО является вероятность ложной тревоги. Рт . Часто используют не вероятность ложной тревоги, а средний период наработки на ложное срабатывание. При этом период ложной тревоги принимается как среднее время между двумя ложными срабатываниями. Используя этот параметр, можно, вычислить среднее число ложных тревог, происходящих за определенный период. При этом для особо важных объектов рекомендуется, чтобы вероятность обнаружения СО была близка к

0,98, а наработка на ложное срабатывание приближалась к 3500ч [3].

Рассмотрим возможность достижения таких параметров РЛСО.

Вероятность ложной тревоги может быть определена по формуле [2]:

Рж = Ыт / /лт,

где т - длительность импульса; £лт - средний период наработки на ложную тревогу; Ы - число принятых импульсов.

Например, при длительности импульса передатчика т=ЪОмкс, среднем периоде наработки на ложное срабатывание = 3500ч и Ы = 1 по формуле (6) получим вероятность ложной тревоги Рлт = 2,381 • 10 12 .

Рассмотрим такие параметры СО, как вероятность ложной тревоги и вероятность обнаружения, на основе теории радиолокационного обнаружения. В рамках этой теории принимается решение о наличии или отсутствия сигнала путем анализа напряжения на выходе приемника по отношению к порогу [1]. Так как задача радиолокационного обнаружения является статистической, то необходимо знать распределение вероятности случайных величин шума с помехами и суммы сигнала и шума с помехами. Закон распределения Рэлея достаточно часто точно описывает радиотехнические сигналы. Этот закон характерен для тех радиотехнических систем, на выходе которых образуется огибающая радиоимпульсов. К этой категории относятся радиоприемники СО, имеющие амплитудные детекторы.

Для расчета характеристик обнаружения, устанавливающих связь между вероятностью правильного обнаружения Р0Б и отношением сигнал/шум д=Б/N при заданной вероятности ложной тревоги Р^ ,

может быть использована приближенная формула, справедливая для значений Р0Б , превышающих 0,5 [4]

( г---- Г7-------

р = I

ОБ 2

1+^ (!+*-ЯРЕ

егТ(х) - интеграл вероятности ошибки, который определяется соотношением [5]

^ х ^

егГ

Чя 0

Таким образом, значение вероятности правильного обнаружения Р0Б можно непосредственно найти по известному значению д и требуемому значению вероятности ложной тревоги Р^ .

Расчет по формулам (7) и (8) позволил получить следующие зависимости.

где

Рис. 2. Зависимость вероятности правильного обнаружения рБ от соотношения сигнал/шум д при

заданном значении РЛТ = 2,381-1012

В соответствии с кривой 1 (см. рис. 2) вероятность обнаружения РОБ = 0,98 достигается при минимальном отношению сигнал/шум д = 23,2 . При этом, для достижения рекомендуемых параметров СО, необходимо чтобы мощность сигнала превышала мощность шума в 23,2 раза (на 13,655дБ).

С увеличением допустимой вероятности ложной тревоги Рт от 2,381-10 12

до 5-10-12 (см. рис. 2, кривая 2) для обеспечения вероятности обнаружения РОБ = 0,98 достаточно

отношения сигнал/шум д = 22,724 . Однако при этом снижается среднее время наработки на ложную тревогу, что при охране особо важных объектов недопустимо.

Чтобы обеспечить заданные параметры вероятностей обнаружения и ложной тревоги максимальная мощность шумов и помех не должна превышать уровень Р0 :

Р0 = Р2/д .

Подставив значение Р2 = 2,127 -10 5Вт в (9), получим Р0 = 9,167*10-7 Вт .

Предположим, что на СО действует помеха с мощностью Р0 = 9,167*10 7Вт , которая не меняется в течение некоторого времени, а на передающую и приемную антенны оказываются внешние воздействия окружающей среды. Так, например, порывы ветра со скоростью до 45м/с могут из-за деформации отражающей поверхности уменьшить КУ антенн на 0,045дБ [6]. Такое воздействие соответствует уменьшению

О и О до 2892 (34,612дБ) и принимаемой мощности до Р2 = 2,083 -10 5Вт . В этом случае соотношение

сигнал/шум д оказывается равным: д = Р2 / Р0 = 22, 724.

Соотношение сигнал/шум д = 22,724 согласно рис. 2 (кривая 1) соответствует вероятности обнаружения 0,977, что не удовлетворяет заданным параметрам СО. Если сохранить вероятность обнаружения

на том уровне, как и требуется (0,98), то ухудшится вероятность ложного срабатывания до 5-10 12, что соответствует меньшему среднему времени наработки на ложную тревогу - 1667у. В действительности одновременно происходит ухудшение, как вероятности обнаружения, так и вероятности ложного срабатывания, но крайние случаи показывают ухудшение параметров СО, и несоответствие требованиям для охраны особо важных объектов.

Для деформаций, обусловленных температурными воздействиями, уменьшение коэффициента усиления становится еще более значительным [6], а значит, и сильнее изменяются параметры СО. В реальных условиях ветер может влиять как на саму антенну и узлы ее крепления, так и на подстилающую поверхность с усилением уровня шума от постилающей поверхности. Также с увеличением температуры возрастают собственные шумы электрорадиоэлементов. Наихудший случай будет соответствовать наложению действия нескольких возмущающих воздействий.

Другим значительным влиянием снижения КУ антенн при неблагоприятных воздействиях является изменение ширины луча диаграммы направленности (ДН) антенн и уровня боковых лепестков (УБЛ). Это

сильно влияет на геометрию 30. При увеличении ширины луча на 0,5° , происходит расширение 30 в поперечном сечении на 0,4м, при длине блокируемого рубежа в 100м. Кроме того, наряду с увеличением ширины луча и, соответственно, расширением зоны обнаружения, может увеличиваться неравномерность распределения энергии электромагнитного поля в ЗО, что приводит к появлению зон со сниженной вероятностью обнаружения.

Для несимметричного нагрева и деформации отражающей поверхности антенн, кроме снижения КУ, происходит сдвиг главного лепестка ДН, приводящий к асимметрии ЗО относительно охраняемого периметра. Увеличение УБЛ, не только снижает долю излучаемой мощности в направлении главного лепестка ДН антенны передатчика, но и способствует снижению помехозащищенности СО, т.к. антенна приемника становится более восприимчивой к воздействиям помех и шумов, приходящих с других сторон от главного направления между антеннами.

Таким образом для сохранения высоких требований к параметрам СО, необходимо выбирать мощность передатчика и чувствительность приемника с запасом, использовать детекторы с низким уровнем собственных шумов, а также проектировать антенны с большим КУ. Тогда появляется возможность улучшить соотношение сигнал/шум. Другой возможностью улучшения отношение сигнал/шум и, соответственно, характеристик обнаружения является интегрирование нескольких принимаемых импульсов.

Одним из методов противодействия изменению мощности сигналов из-за внешних воздействий является использование автоматической регулировки усиления (АРУ) с большим запасом регулировки усиления. Для относительно медленных изменений диаграммы направленности из-за температурных воздействий, и как следствие уменьшения КУ антенн и принимаемой мощности, АРУ поддерживает постоянный уровень, сохраняя параметры СО. Но АРУ срабатывает с определенной задержкой, т.к. постоянная времени АРУ не может быть снижена, из-за сильного влияния на вероятность обнаружения медленно передвигающегося нарушителя. Это приводит к ложным срабатываниям от резких и сильных воздействий порывов ветра, если используются простые алгоритмы обнаружения.

Для борьбы с деформациями отражающей поверхности антенны из-за ветровых воздействий обычно увеличивают жесткость ее конструкции, облегчают массу и снижают парусность. Однако в совокупности с другими противоречивыми требованиями это является сложной задачей. Поэтому влияние внешних воздействий необходимо учитывать, не только при совершенствовании конструкций антенн, но и при разработке схемы и алгоритма обнаружения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Радиотехнические и радиооптические системы: Учебное пособие для студентов вузов / Э. А. За-совин, А. Б. Борзов, Р. П. Быстров и др.; под ред. Э. А. Засовина. - М.: Круглый год, 2001. - 752 с.

2. Справочник по радиолокации: В 4-х т. /Под ред. М. Скольника: Пер. с англ. под общ. ред. К. Н. Трофимова. - М.: Сов. радио, 1976. - Т. 1. - 456 с.

3. Магауенов Р. Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 367 с.

4. Бартон Д. Радиолокационные системы /Под ред. К. Н. Трофимова: Пер с англ. - Воениздат,

1967. - 480 с

5. Янке Е. Специальные функции: Формулы, графики, таблицы/ Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. — М.:

Наука, 1977. — 344 с.

6. Якимов А. Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий : монография / А. Н. Якимов. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 206 с.