Методы и средства борьбы с мешающими отражениями в РЛС олп

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

УДК 621.396.96

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА БОРЬБЫ С МЕШАЮЩИМИ ОТРАЖЕНИЯМИ В РЛС ОЛП

А.Д. ЯМАНОВ

Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.

Рассматривается влияние отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и метеообразований на эксплуатационные характеристики радиолокационных станций обзора летного поля (РЛС ОЛП). Дается обзор применяемых в РЛС технических устройств для борьбы с ними.

Ключевые слова: РЛС обзоры летного поля, мешающее отражение, эксплуатационные характеристики.

На современном этапе развития РЛС ОЛП основной задачей является повышение качества радиолокационной информации. Наличие мешающих отражений от земной поверхности, местных предметов и метеообразований, которые могут иметь большую эффективную поверхность рассеяния (ЭПР), приводит к уменьшению различимости отметок воздушных судов. Засветы экранов, вызываемые отражениями от подстилающих покровов и, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне, от гидрометеоров, приводят в некоторых случаях к полной потере координатной отметки (или перепутыванию ее с отдельными остатками метеообразований, тепловых выбросов промышленных предприятий или местных предметов, имеющими размеры, аналогичные размерам координатной отметки). Большое число мешающих отражений, проходящих через приемное устройство РЛС УВД, поступает в АПОИ, вызывая перегрузку линии трансляции и снижая ее производительность при одновременном ухудшении технических характеристик [1].

В качестве примера в табл. 1, 2 и 4 приведены результаты натурного определения удельных ЭПР фонов [2; 3] и ЭПР целей [4], характерных для фоноцелевой обстановки в задачах контроля территории с помощью РЛС 3- мм диапазона. В табл. 3 приведены ослабления радиоволн в гидрометеорах в миллиметровом диапазоне волн [5].

Таблица 1

Эффективная поверхность рассеяния фонов [2]

Фон Угол визирования, град. УЭПР, дБ Сезон

Кромка леса ~3 -28 (-26.. .-29) Лето

Луг 3 - О 3 - Лето

Пашня -32 (-31.-35) Лето

Снег -37 (-35.-39) Зима

Таблица 2

Удельная ЭПР некоторых квазигладких поверхностей для / = 35 ГГц [3]

Фон Угол визирования, град. УЭПР, дБ

Бетон ~10 -32

Асфальт -26

Асфальт-гравий -22

Шлак-гравий -23

Как видно из табл. 1 и 2, отражения как от естественных, так и от искусственных покровов, в 3 - мм диапазоне оказывают мешающее воздействие на процесс идентификации малоразмерных наземных целей.

Таблица 3

Ослабление радиоволн в гидрометеорах в миллиметровом диапазоне волн [5]

Метеообразования Ослабление

Дожди с интенсивностью 1-5 мм/час 5 дБ/км

Дожди с интенсивностью 25, 50 и 100 мм/час 10,15,5 и 23 дБ/км

Туманы и облака 3-4 дБ/км

Отражения от гидрометеоров и ослабление радиоволн в осадках особенно актуально в миллиметровом диапазоне. Максимальное значение ослабления в дождях имеет место на волнах 2-3 мм. Теоретические и экспериментальные исследования ослабления в туманах и облаках показывают, что на миллиметровых волнах ослабление в более мелких каплях в 5-10 раз меньше, чем в дождях [5].

Таблица 4

Эффективная поверхность рассеяния целей [4]

Объект Оценка ЭПР объекта, м Примечание

Самолет Ил-76 300.1700

Самолет Ан-24 ~350

Промышленные сооружения:

- застройка 500.1000

- административные здания 400.1500 в элементе разрешения

- стационарные ангары 500.5500

Судно класса "река-море" 4000 . 6000 и более в элементе разрешения

Автомобили:

- легковые 3 О 5 О

- грузовые 100.200

Человек ~1

Для подвижных целей (гусеничная и колесная техника) при длине волны 1 < 3 см ЭПР слабо зависит от длины волны; с вероятностью 0,9 в короткой части миллиметровых волн эти ЭПР имеют порядок величин, характерный для более длинных волн. Так среднее значение ЭПР на 1 = 8 мм ~ 9 м2, в короткой части мм волн ~ 10м2 [6].

Для обнаружения наземных неподвижных и малоскоростных малоразмерных целей (человек, различная техника и т.п.) РЛС должна обеспечивать не только энергетическое обнаружение цели, но и её выделение на фоне земной поверхности. Радиолокационный контраст объекта на фоне земной поверхности характеризуется отношением сигнал/фон РС/РФ , зависящим от разрешающей способности РЛС, ЭПР цели и удельной ЭПР фона, и может быть представлен в виде выражения [2, 4]:

Р = S • cosa Рф S • D СТи в

^УД. Ф. ^ 0 АЗ

где <гц - ЭПР цели; аУд Ф - удельная ЭПР фона; с - скорость света; ти - длительность зондирующего импульса; D - наклонная дальность до цели; a - угол визирования цели в вертикальной плоскости; вАЗ - ширина ДНА в азимутальной плоскости.

В выражении (1) множитель cosa может быть опущен, т.к. РЛС ОЛП устанавливаются неподвижно на относительно небольших высотах (до 10...20 м), поэтому работа РЛС ведется под практически нулевыми углами визирования в вертикальной плоскости (т.е. a  0).

Если РС/РФ > 1, то неподвижная цель может быть выделена на фоне земной поверхности, т.е. радиолокационно контрастна. Из (1) видно, что контраст тем выше, чем выше разрешающая способность РЛС по азимуту и дальности при прочих равных условиях.

На рис. 1 приведены характеристики радиолокационного контраста сигнал/фон, дБ.

Рс/Рф, дБ

Рис. 1. Характеристики радиолокационного контраста [7]

На рис. 2-5 приведены радиолокационные изображения типовых для РЛС ОЛП целей.

Рис.2а. Фото шоссе [7]

Рис.2б. Радиолокационное изображение шоссе [7]

Рис.За. Фото судов класса "река-море" [7]

Рис.Зб. Радиолокационное изображение судов класса "река-море" [7]

Рис.4а. Фото самолетов [7] Рис.4б. Радиолокационное изображение

самолетов [7]

Рис. 5а Радиолокационное изображение че- Рис. 5б. Радиолокационное изображение челове-

ловек в поле ка на ВПП (зима) [7]

(осень, трава, кустарник) [7]

Для улучшения различимости (или контрастности) отметок на фоне отражений необходимо соответствующим образом устанавливать антенну РЛС, выбирать длину волны и длительность импульсов, а также ширину диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Для реализации высоких тактико-технических характеристик РЛС требование оптимального сочетания этих параметров обеспечить трудно, поэтому для обеспечения необходимой различимости отметок в настоящее время находят применение все более сложные устройства: селекторы сигналов по длительности, блоки временной регулировки усиления, системы индикации воздушных целей (ИВЦ) и селекции движущихся целей (СДЦ), устройства управляемой поляризации и др.

Селекторы сигналов по длительности вырабатывают импульсы бланкирования, которые запирают вход приемного устройства и исключают сигналы от местных предметов, что улучшает различимость полезных сигналов на экране ИКО. Однако в реальных условиях работы РЛС селекторы малоэффективны, так как протяженность местных предметов равна (или меньше) протяженности, соответствующей длительности излучаемого импульса. Поэтому обычно селекторы по длительности применяются в сочетании с другими техническими решениями, обеспечивающими подавление мешающих отражений.

Применяемые для подавления мешающих отражений блоки временной регулировки усиления изменяют чувствительность приемного устройства в зависимости от интенсивности мешающих отражений (чем выше уровень отражений, соответствующий ближней зоне, тем меньше чувствительность). Следует отметить, что применение временной регулировки усиления приводит к значительному снижению уровней сигналов воздушных судов.

Для компенсации этих потерь в современных РЛС УВД применяют отражатели двойной кривизны, которые формируют диаграмму направленности вида соБес# (или модифицированный соБес2#). Современные РЛС ОЛП, используемые в гражданской авиации, АББЕ-З и «Оре-деж» имеют антенные системы с отражателем двойной кривизны.

Наиболее широкое применение в радиолокации для подавления помех нашли системы селекции движущихся целей (СДЦ), основанные на эффекте Доплера. Слабофлуктуирующие (и стационарные) помехи могут быть значительно подавлены, в то время как чувствительность по отношению к движущимся целям в присутствии шумов остается высокой. Она обычно ограничивается отношением сигнала от воздушного судна к сигналу помехи, поэтому желательно максимизировать это отношение посредством либо увеличения уровня полезного сигнала, либо уменьшения сигнала помехи, либо одновременным изменением и того и другого.

Недостатком систем СДЦ является наличие “слепых” скоростей, при которых могут пропадать сигналы движущихся целей. Чтобы уменьшить этот недостаток обычно применяют вобу-ляцию периода повторения импульсов.

Достижения микроэлектроники привели к созданию ряда цифровых систем СДЦ, в основу построения которых положено сохранение двух основных критериев обнаружения - вероятности обнаружения и вероятности ложной тревоги.

В последние годы все большее внимание уделяется разработчиками радиолокационной техники устройствам управляемой поляризации, обладающим большими возможностями для уменьшения вредного влияния метеообразований и местных предметов на работу РЛС ОЛП.

В РЛС «Алмаз», «Оредеж», АББЕ-З, А8ТЯЕ-2000, ТЕКМА, «Атлантика» применяются устройства, создающие наиболее распространенные виды поляризации - “круг” (в РЛС «Аксай» -“линия”).

Однако бытующее мнение, что работа на данной поляризации является эффективной при всех случаях неустойчивой погоды, является ошибочным. Опытная эксплуатация РЛС ОЛП миллиметрового диапазона «Обзор-2» [8] показала, что при дожде с ветром, сильном дожде, обильном снегопаде эффективность работы на круговой поляризации низка. На индикаторе остается большое количество посторонних засветок, сливающихся с полезной информацией. Характерно, что при слабом дожде ухудшение информативности не очень сильно сказывается. При усилении же ветра или интенсивности дождя резко возрастает количество засветок как при линейной, так и при круговой поляризации. Такая работа РЛС ОЛП в сложных метеоусловиях крайне опасна с точки зрения обеспечения безопасности полетов (взлет, посадка) и предупреждения столкновения на земле.

Устройства управляемой поляризации также ослабляют отражения от земных покровов, но из-за шероховатости поверхности и несовершенства РЛС эффективность подавления снижается (рис. 6). Из этого следует, что в каждом конкретном случае желательно иметь как можно больше информации о поляризационных свойствах окружающих РЛС земных покровов и местных предметов [9]. Эта информация даст возможность усовершенствовать (или создать новую) аппаратуру, использующую поляризационные эффекты, которая обеспечит более высокие коэффициенты подавления мешающих отражений и улучшит эффективность работы перспективных РЛС. На основании изложенного можно полагать, что в перспективных РЛС должны использоваться алгоритмы перестройки по поляризации [10, 11, 12].

Такие алгоритмы перестройки по поляризации позволят в наиболее полной степени использовать потенциальные возможности, заложенные в поляризационных эффектах.

Рис. 6. Отражения от подстилающей поверхности и местных предметов, обозначенные на экране РЛС ОЛП «Атлантика» желтым цветом

ЛИТЕРАТУРА

1. Устинович В.Б. Анализ поляризационных характеристик подстилающих покровов и использование его результатов для подавления мешающих отражений в трассовых РЛС УВД. Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИИГА, 1981

2. Григорьев Д.В. и др. Результаты радиолокационного наблюдения природных ландшафтов в трехмиллиметровом диапазоне волн (по данным натурных экспериментов). Докл. на XVI Всерос. симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред". - СПб., 1998.

3. Кулемин Г.П., Расказовский В.Б. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью земли под малыми углами. - Киев: Наук. думка, 1987.

4. Григорьев Д.В. и др. Особенности характеристик обратного рассеяния радиоволн некоторыми объектами техники в трехмиллиметровом диапазоне волн (по данным натурных экспериментов). Докл. на XVI Всерос. симпозиуме "Радиолокационное исследование природных сред". - СПб., 1998.

5. Р. П. Быстров, А. В. Соколов. Распространение короткой части миллиметровых и субмиллиметровых волн: возможные области их применения // Радиотехника, №5, 2006. С. 11-18.

6. Р.П. Быстров, А.В. Соколов. Применение миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн // Радиотехника, № 7, 2008.

7. С.В. Ганов, T.M. Ганова, В.А. Климентьев. Радиолокационная станция контроля территории 3 мм диапазона радиоволн // Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника, №3, 2007.

8. Андреев Г.Н. Подавление мешающих отражений при работе РЛС миллиметрового диапазона в сложных метеоусловиях путем поляризационной обработки радиолокационных сигналов. Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МИИГА, 1984

9. Отчет по НИР “Исследование возможностей подавления сигналов от гидрометеоров и местных предметов”. -М.: МИРЭА, 1976. - С. 12-58.

10. Анализ технического уровня средств ГА СССР в сравнении с зарубежным уровнем. НЗЦ АУВД, 1979. - С. 64-78.

11. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2005.

12. Козлов Н.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. Т. 2. - М.: Радиотехника, 2007.

METHODS AND FACILITIES OF THE CLUTTER NOISE REDUCE IN AIRFIELD RADAR

Yamanov A.D.

The influence of backscatter from canopy background and aquifer formations on airfield radar exploitation characteristics is considered. The overview of the clutter noise reducing facilities in the airfield radars is given.

Сведения об авторе

Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - радиолокация.