Способ загоризонтного обнаружения цели
METHOD FOR OVER-THE-HORIZON TARGET DETECTION

СПОСОБ ЗАГОРИЗОНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЦЕЛИ
Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в РЛС СВЧ диапазона для загоризонтного обнаружения надводных и низколетящих целей. Способ позволяет осуществить поиск, обнаружение объекта в зоне ответственности РЛС, измерить его координаты с помощью РЛС и осуществить его сопровождение. Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности обнаружения и сопровождения с помощью СВЧ РЛС объектов на загоризонтных дальностях в тех случаях, когда антенна РЛС расположена на высоте, большей высоты волновода испарения.
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в перспективных РЛС для контроля надводной и воздушной обстановки за радиогоризонтом. Для обеспечения контроля обстановки нужно прежде всего иметь возможность обнаруживать объект с высокой вероятностью на загоризонтных дальностях.
Реализация загоризонтного распространения радиолокационных сигналов основывается на свойствах приповерхностного слоя тропосферы над морской поверхностью. Распространение радиоволн РЛС дециметрового и сантиметрового диапазонов в основном определяется высотной зависимостью показателя преломления в нижней части тропосферы толщиной до 1 км. Диэлектрическая проницаемость тропосферы ε(r,t) и связанный с нею показатель преломления тропосферы  являются функциями координат точки пространства и времени и определяются метеопараметрами (температурой, влажностью, давлением воздуха). Так как показатель преломления тропосферы мало отличается от единицы, для описания преломляющих свойств тропосферы используют индекс преломления Ν=(n-1)∙106. Связь индекса преломления с метеопараметрами определяется полуэмпирической формулой Дебая, в форме, рекомендованной Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) (Recommendation ITU-R P.453-8. The radio refractive index: its formula and refractivity data)
где P - атмосферное давление в гектопаскалях, e - парциальное давление водяного пара в гектопаскалях, T - абсолютная температура воздуха в кельвинах. При этом индекс преломления получается в так называемых N-единицах (1N-ед.=10-6).
Для учета влияния сферичности Земного шара вводится так называемый модифицированный показатель преломления и соответствующий ему M-профиль
где a - радиус Земли. Второе слагаемое в (2) учитывает переход от рефракции радиоволн в сферически слоистой атмосфере с индексом преломления N(z) к рефракции в эквивалентной плоскослоистой среде с модифицированным индексом преломления M(z). Условиям сверхрефракции и захвата радиоволн в тропосферный волновод соответствует неравенство dM(z)/dz<0, или dN/dz<-1/a=-0.157 N-ед./м.
Существует классификация M-профилей, обеспечивающих захват радиоволн в волновод, в соответствии с Фиг. 1: а) приповерхностный волновод, б) приподнятый волновод, в) волновод испарения. M-профиль приповерхностного волновода характерен тем, что значение индекса M на верхней границе слоя захвата меньше, чем на поверхности моря, в соответствии с Фиг. 1а), слой захвата определяется условием dM/dz<0. Для приподнятого волновода, напротив, значение индекса M на верхней границе слоя захвата больше, чем на поверхности моря в соответствии с Фиг. 1б). Для волновода испарения характерен профиль M(z), показанный на Фиг. 1в).
Приповерхностный волновод формируется на высотах до нескольких сотен метров. Вероятность возникновения приповерхностных волноводов в любой части мирового океана в любой момент времени не более 2%.
Волновод испарения существует непосредственно над поверхностью моря, свободной ото льда. Вероятность возникновения волноводов испарения в близка к 100% (Hitney, H.V. Integrated refraction effects prediction system H.V. Hitney, J.H. Richter // Naval Engineers Journal. - 1976. April. - p. 257-262.). Высота волновода испарения в субтропических и тропических широтах достигает 50 м, наиболее вероятные значения высот, по различным данным, составляют 8-30 м. В средних широтах она гораздо меньше и составляет 4-8 м. Различные виды волноводов могут существовать одновременно, поэтому наиболее общей формой M-профиля, описывающей реальные ситуации, является комбинированный M-профиль в соответствии с Фиг. 1г).
Волновод испарения позволяет значительно увеличить дальность работы РЛС, если ее антенна находится в самом волноводе и рабочая длина волны РЛС соответствует условиям возбуждения захваченных волноводных модов. Явление аномального волноводного распространения над морем было отмечено уже при первых испытаниях РЛС в Индийском океане в 40-х годах. В 60-х-70-х годах это явление детально изучалось в BMC США с целью обеспечения эффективной работы корабельных РЛС. В результате была разработана «Объединенная система прогнозирования рефракционных эффектов» (IREPS), введенная в BMC США (Hitney, H.V. Integrated refraction effects prediction system H.V. Hitney, J.H. Richter // Naval Engineers Journal. - 1976. April. - P. 257-262).
Рефракция радиоволн, излучаемых РЛС, в неоднородной по высоте тропосфере над морской поверхностью приводит не только к возможности захвата радиоволн в волновод испарения, когда антенна РЛС находится внутри волновода, но и к другому механизму дальнего распространения радиоволн, который реализуется, если антенна РЛС находится выше волновода испарения. Именно эта ситуация чаще всего имеет место в средних широтах, где высота волновода испарения невелика. Ранее этот механизм распространения волн в слоистой среде не был описан применительно к задачам морской радиолокации. Выявление и анализ этого механизма тропосферного распространения радиоволн над морем требует уточнения некоторых представлений о самом волноводе испарения. Ниже приводится необходимое обоснование данного механизма аномального распространения радиоволн над морем для того случая, когда антенна РЛС расположена выше волновода испарения.
В вопросах адаптации корабельных и береговых РЛС к изменяющимся радиометеорологическим условиям практически важной является задача постоянного контроля вертикального профиля индекса преломления тропосферы. В случае волновода испарения измерение вертикального профиля индекса преломления в нем проще всего провести, используя современные цифровые метеостанции, измеряющие давление, температуру и влажность воздуха в интервале высот 0-30 м с последующим расчетом профиля. Практически все современные методики расчета параметров волновода испарения основаны на теории подобия Монина-Обухова для атмосферного пограничного слоя. В соответствии с этой теорией ранее считалось, что вертикальный профиль индекса преломления тропосферы в волноводе испарения описывается логарифмической функцией высоты (Кукушкин А.В., Фрейлихер В.Д., Фукс И.М. Загоризонтное распространение ультракоротких радиоволн над морем (Обзор). - Изв. ВУЗ «Радиофизика», 1987, т. 30, №7, с. 811). По этой причине вертикальный профиль модифицированного индекса преломления, учитывающий кривизну Земного шара в параболическом приближении, моделировался формулой:
1
Здесь z - так называемый параметр шероховатости подстилающей (морской) поверхности, H - высота волновода испарения (уровень, на котором функция (3) достигает минимума), α=1/a≈0,157⋅10-6 м-1, a=6370 км - радиус Земли.
Следует отметить, что коэффициент при логарифмической функции в (3) не должен зависеть от параметра α, так как первые два слагаемых описывают профиль индекса преломления, который от него не зависит. Правильнее было бы обозначить его, например, β, и тогда высота, на которой функция (3) достигает минимума, равна H=β/α.
Считалось, что зависимость (3) достаточно хорошо описывает реальный высотный профиль индекса преломления в условиях нейтральной и устойчивой стратификации тропосферы. Тем самым неявно предполагалось, что логарифмическая зависимость от высоты характерна для вертикального профиля индекса преломления, по крайней мере, во всей области высот тропосферы, которая существенно влияет на распространение радиолокационных сигналов во всем интересующем диапазоне изменения дальности, что противоречит качественному описанию зависимости влажности воздуха от высоты над свободной ото льда морской поверхностью, приведенному в других источниках (Иванов В.К., Шаляпин В.Н., Левадный Ю.В. Определение высоты волновода испарения по стандартным метеорологическим данным. - Известия РАН «Физика атмосферы и океана», 2007, т. 43, №1, с. 42): «Резкий спад влажности в приводном слое толщиной в несколько десятков метров значительно увеличивает скорость уменьшения как обычного, так и приведенного индекса преломления, тогда как на больших высотах влажность уменьшается с высотой более плавно, вследствие чего высотный ход функции (3) здесь определяет последнее слагаемое». Поэтому логарифмический ход индекса преломления в области высот волновода испарения должен смениться более быстро убывающей функцией координаты z в области больших высот. Это следует и из общих представлений о пограничном слое Прандтля в жидкости или газе вблизи твердой поверхности, выработанных в гидродинамике. Именно эта область высот оказывает существенное влияние на механизм распространения радиолокационных сигналов в том случае, когда высота расположения антенны выше высоты волновода испарения.
m
Очевидно, что функция M(z)=Ν(z)+αz имеет минимум на некоторой высоте z
Качественно вид профиля M(z) для волновода испарения представлен на Фиг. 2.
При этом параметр а может иметь смысл не только истинного, но и эквивалентного радиуса Земли, тогда N(z) будет описывать не полный профиль индекса преломления, а его отклонение от стандартного профиля. Параметр H здесь обозначает верхнюю границу области высот, прилегающей к морской поверхности, в которой индекс преломления имеет большую добавку, обусловленную процессами испарения влаги.
0
m
Вид аномального механизма распространения радиоволн, обеспечивающего проникновение их за линию геометрического горизонта, зависит от соотношения высоты расположения антенны РЛС z и характерной высоты z.
0
m
m
Если z>z, то проникновение радиоволн за горизонт связано с этим, не замеченным ранее механизмом распространения - при этом возникает пучок слаборасходящихся лучей, в котором центральным является скользящий луч, асимптотически приближающийся к уровню z=z.
0
m
m
m
Если же z<z, то имеет место обычный захват радиолучей в волновод. Следует подчеркнуть, что характерная высота z может быть заметно больше высоты H, которая ограничивает сверху область высот, в которой индекс преломления имеет большую добавку (Фиг. 2). Отсюда видно, что для правильной диагностики характеристик распространения радиолокационных сигналов в условиях существования волновода испарения необходимо иметь детальную информацию о профиле N(z) с высоким разрешением по высоте не только в области 0<z<H, но и в вышележащей области высот, включая область минимума функции M(z). При использовании же модели (3) предполагается, что профиль N(z) описывается логарифмической функцией во всей области высот, включая точку минимума функции M(z), и высота z, отождествляемая с параметром H в (3), определяется исходя из этого предположения.
Чтобы убедиться в существовании пучка слаборасходящихся лучей, рассмотрим уравнение траектории радиолучей в слоистой тропосфере
где
0
0
0
0
m
m
- относительный показатель преломления тропосферы как функция высоты, υ - угол выхода луча, отсчитываемый от вертикального направления, x, z - координаты точки выхода луча. Двойные знаки перед интегралом соответствуют восходящей и нисходящей ветви траектории луча. В первом случае (z>z) конфигурация лучей содержит характерный скользящий луч, асимптотически (при x→∞) приближающийся к уровню z=z сверху. Угол выхода  скользящего луча определяется из уравнения:
причем следует брать корень этого уравнения, удовлетворяющий условию . С учетом этого уравнение траектории скользящего луча приобретает вид:
m
m
m
0
m
m
m
m
m
0
m
m
m
m
m
Нетрудно убедиться, что x→∞ при z→z, то есть луч уходит на бесконечность на горизонте z=z. Для этого разобьем интервал высот (z, z) на две части: (z, z+Δz) и (z+Δz, z). В первом из них, пользуясь предполагаемой малостью величины Δz, разложим функцию M(z) в ряд: M(z)≈M(z)+M″(z)(z-z)2/2, тогда при z, близком к z, получаем:
после чего сделанное утверждение становится очевидным.
n
Лучи с углами выхода  имеют нижнюю точку поворота, координата z которой определяется из уравнения:
Эти лучи имеют две ветви: нисходящую, в которой траектория луча описывается уравнением:
и восходящую
Лучи с углами выхода  также имеют две ветви: сначала луч идет вниз, достигает морской поверхности, отражается от нее и затем идет вверх. Так как , то для этих углов выхода , поэтому можно положить , где Δc=const>0. Тогда траектория луча на нисходящей ветви описывается уравнением:
Из этого уравнения следует, во-первых, что луч действительно достигает морской поверхности, а во-вторых - что при  со стороны больших значений горизонтальная дальность x(0) до точки отражения от моря неограниченно возрастает.
n
Точно также, горизонтальная дальность x(z) до точки поворота лучей с углами выхода  неограниченно возрастает при  со стороны меньших значений, что видно из формулы
которая получена аналогично (13).
m
m
Таким образом, лучи с углами выхода, близкими и несколько меньшими угла выхода скользящего луча, образуют пучок сначала сходящихся, а затем слабо расходящихся лучей. При этом они не касаются морской поверхности, вследствие чего не происходит потерь энергии электромагнитного поля из-за эффектов поглощения и рассеяния на взволнованной морской поверхности. Важно отметить, что эти лучи обеспечивают засветку области высот, несколько больших высоты минимума z функции M(z). Лучи с углами выхода, немного большими , также образуют пучок слабо расходящихся лучей, причем они освещают область высот 0<z<z на больших дальностях.
0
m
В другом, известном ранее случае, когда z<z, существует сектор углов захвата лучей в волновод испарения:
угловая ширина которого равна
0
0
n
0
m
n
0
0
1
m
m
Луч с углом выхода 3=π/2 является центральным лучом сектора захвата и распространяется в интервале высот 0<z<z, поочередно отражаясь то от морской поверхности, то от точки поворота z=z. Для лучей с другими углами выхода из сектора захвата точка поворота всегда лежит в интервале высот z>z>z. Сектор захвата имеет два граничных луча: верхний с углом выхода υ=υ, который имеет одну восходящую ветвь и асимптотически стремится к z=z при x→∞, и нижний граничный, который имеет две ветви - нисходящую с точкой отражения на морской поверхности и восходящую, которая также асимптотически стремится к z=z при x→∞. Именно на волноводный механизм дальнего распространения радиоволн и рассчитаны известные ранее методы адаптации корабельных РЛС, в которых антенна РЛС должна находиться в самом волноводе.
m
Важно отметить, что если высота расположения антенны РЛС меньше высоты, на которой модифицированный индекс преломления тропосферы достигает минимума, то область аномальной засветки зоны ответственности РЛС ограничена интервалом высот 0<z<z, то есть имеет место только в самом волноводе. Это подтверждают и более строгие расчеты энергетических характеристик поля, выполненные методом нормальных волн: выше волновода испарения поле захваченных волн (модов) экспоненциально убывает.
Таким образом, наряду с известным аномальным механизмом распространения зондирующих сигналов корабельных и береговых РЛС в условиях существования волновода испарения, связанным с захватом радиолучей в волновод при высоте расположения антенны РЛС, меньшей высоты волновода, существует еще один аномальный механизм, связанный с наличием узкого слаборасходящегося пучка радиолучей, для которого центральным является скользящий луч. Этот механизм обеспечивает засветку не только области высот волновода испарения, но и некоторой области, находящейся выше нее. Существование этого нового аномального механизма распространения УКВ радиоволн косвенно подтверждают данные экспериментальных измерений (Кукушкин А.В., Фрейлихер В.Д., Фукс И.М. Загоризонтное распространение ультракоротких радиоволн над морем (Обзор). - Изв. ВУЗ «Радиофизика», 1987, т. 30, №7, с. 811), где отмечается (с. 827), что измеренная высотная зависимость поля за горизонтом над волноводом испарения более слабая, чем по теории захваченных волн, либо отсутствует вовсе. Однако в указанной работе этот эффект без какого-либо количественного анализа объясняется рассеянием радиоволн на случайных неоднородностях тропосферы.
Как правило, для согласования режима работы РЛС с каналом распространения радиоволн используют РЛС с игольчатой формой диаграммы направленности антенны работающих в X-диапазоне. Построение такой РЛС не отличается от классического (Кузьмин С.С. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации, "Радио и связь", М., 1986, с. 17).
Прототипом РЛС реализующий принцип загоризонтной радиолокации может служить корабельная РЛС «Минерал Э». РЛС «Минерал Э» обнаруживает надводные объекты в активном режиме на дальности до 250 км посредством обеспечения распространения электромагнитной энергии в приповерхностном волноводе. Недостаток таких РЛС состоит в невозможности обеспечения требуемой дальности обнаружения надводных целей при отсутствии приповерхностного волновода. При такой реализации обнаружения электромагнитная энергия распространяется в приповерхностном волноводе только при условии нахождения антенны РЛС на высоте, не большей высоты верхней кромки волновода испарения. При этом все объекты находящиеся выше этой высоты не облучаются и тем самым не обнаруживаются. Наличие приповерхностного волновода и волновода испарения и их высота определяются с помощью стандартных гидрометеорологических измерений.