5.1.2. Влияние атмосферы и подстилающей поверхности на дальность действия РЛС

Влияние атмосферы. При распространении радиоволн в атмосфере происходят искривление траектории радиоволн (рефракция) и

рассеяние электромагнитной энергии атомами и молекулами воды и газов, а также частицами пыли (аэрозолями). Последний фактор приводит к затуханию радиоволн.

Рефракция обусловлена изменением относительной диэлектрической проницаемости атмосферы которое приводит к изменению коэффициента преломления в конечном результате - к искривлению траекторий распространения радиоволн. В нижнем слое атмосферы (тропосфере) меняется с высотой в зависимости от изменения давления, температуры и влажности, что и приводит к рефракции радиоволн.

Рис. 5.4. Траектории радиоволн в атмосфере

По градиенту коэффициента преломления различают следующие виды рефракции и искривления траекторий радиоволн (рис. 5.4):

рефракция отсутствует, траектория прямолинейна;

отрицательная рефракция, траектория отклоняется вверх;

положительная рефракция, траектория отклоняется вниз;

критическая рефракция, траектория радиоволн круговая относительно центра Земли;

сверхрефракция, когда вследствие атмосферных аномалий из-за инверсного изменения влажности и температуры в прилегающем к поверхности Земли слое атмосферы возникают так называемые атмосферные волноводы (рис. 5.5), и радиоволны, отражаясь от верхней границы волновода и поверхности Земли, могут распространяться на большие расстояния.

Рис. 5.5. Образование атмосферного волновода

Для точного расчета траекторий радиоволн необходимо знать закон изменения коэффициента преломления по высоте, а это, как правило, невозможно из-за нестационарного состояния атмосферы. Поэтому на этапе проектирования РЛС удобно пользоваться так называемыми стандартной атмосферой, для которой и эквивалентным (эффективным) радиусом Земли при котором высоты точек траектории над Землей остаются прежними, а радиоволны

распространяются как бы по прямолинейной траектории (рис. 5.6):

Для стандартной атмосферы при физическом радиусе Земли получаем

Рис. 5.6. Траектории радиоволн в стандартной атмосфере

Рис. 5.7. Номограмма расчета дальности обнаружения в атмосфере

Затухание радиоволн в атмосфере начинает сказываться при см и зависит от длины волны (частоты) радиосигнала и состояния (влажности) атмосферы на трассе распространения радиоволн (высоты трассы).

С учетом затухания дальность действия радиосистемы определяется выражением

где дальность действия в свободном пространстве (5.2); а - удельный коэффициент затухания

Трансцендентное уравнение (5.7) решают методом последовательных приближений (итераций) или графически (рис. 5.7). Поглощение радиоволн в атмосфере зависит от длины волны и от интенсивности осадков (рис. 5.8). Пики его вызываются резонансным поглощением энергии радиоволн молекулами воды и кислорода.

Атомы, молекулы газов атмосферы и пылевые частицы поглощают энергию радиоволн на всей трассе распространения, в то время как капельки воды (влага) могут вызывать резкое увеличение рассеяния радиоволн на отдельных участках трассы.

Тогда

При дождевых осадках справедлива эмпирическая формула см), см),

где а - измеряется в интенсивность осадков

Можно для оценочных расчетов пользоваться соотношением

где интенсивность осадков длина волны (см).

Влияние подстилающей поверхности. При проектировании РЛС и необходимо учитывать искажения ДНА радиолокатора из-за близости антенны к подстилающей (земной) поверхности и влияние ее сферичности на дальность действия системы.

Рис. 5.8. Зависимость поглощения энергии радиоволн от длины волны (а) и интенсивности осадков (б)

Рис. 5.9. Отражение радиоволн от подстилающей поверхности при широкой ДНА

Искажение ДНА в вертикальной плоскости обусловлено интерференцией радиоволн, распространяющихся прямолинейно от антенны радиолокатора до цели и обратно, и отражением от поверхности. Отраженный от поверхности сигнал (рис. 5.9) появляется при выполнении условия где ширина главного лепестка ДНА в вертикальной плоскости по уровню нулевой мощности; угол наклона максимума ДНА к горизонту. При интерференции указанных сигналов вместо исходной формируется искаженная многолепестковая (рис. 5.9).

Методы нахождения в зависимости и свойств подстилающей поверхности изложены в курсе "Антенны и техника

Отметим только, что число лепестков и провалов в результирующей ДНА, их положение и ширина зависят от отношения высоты подъема антенны и длины волны .

Провалы в ДНА играют отрицательную роль при обзоре пространства и обнаружении целей, так как цель в провале не обнаруживается. Поэтому стремятся уменьшить их глубину или изменить положение, например, применив несколько разнесенных по высоте антенн, высоты которых выбирают так, чтобы лепестки одних ДНА перекрывали провалы других. Можно менять длину волны, изменяя тем самым положение провалов. К некоторому уменьшению глубины провалов приводит опускание или подъем главного лепестка ДНА. Кроме того, переход от вертикальной поляризации радиоволн к горизонтальной приводит к тому, что лепестки и провалы ДНА меняются местами из-за изменения на 180° фазы отраженного от земной поверхности сигнала. Наконец, возможна суммарно-разностная обработка сигналов, в результате которой также меняются местами лепестки и провалы ДНА.

Влияние ДНА на дальность обнаружения в вертикальной плоскости проследим по связи антенны по мощности с результирующей ДНА по напряженности поля :

где максимальное значение антенны. Тогда

где коэффициент, объединяющий все остальные параметры радиолокатора.

При использовании одной антенны как для передачи, так и для приема сигналов и

Пример. В соответствии с рис. 5.9, при горизонтальном расположении и коэффициенте отражения от земной поверхности разность хода прямого и отраженного лучей будет определяться соотношением что приводит к разности фаз Тогда напряженности электромагнитного поля прямого и отраженного сигналов равны Результирующий сигнал по напряженности

Если используются сигналы с горизонтальной линейной поляризацией, то а фотр поэтому

При обнаружении целей на малых высотах поэтому дальность обнаружения будет определяться соотношением

Следовательно,

Сферичность Земли ограничивает дальность действия РЛС, в которой используются радиоволны с длиной менее распространяющиеся над земной поверхностью, дальностью прямой видимости (рис. 5.10). Если высота цели а высота подъема антенны то при учете рефракции в стандартной атмосфере

где при выраженных в метрах, получается в километрах.

Рис. 5.10. Дальность прямой видимости

Рис. 5.11. Связь истинной и приведенной высот цели

Кроме того, сферичность Земли требует коррекции соотношения для вычисления высоты цели:

Если не учитывать сферичность земной поверхности, то как следует из рис. 5.11, высота цели над плоскостью горизонта, При введении коррекции высота

где при стандартной атмосфере поправка

Из-за сферической поверхности Земли отраженные от нее радиоволны расходятся. Это приводит к уменьшению коэффициента отражения, что следует принимать во внимание при расчете Уменьшение коэффициента отражения учитывается коэффициентом сферической расходимости

где результирующий и исходный коэффициенты отражения от земной поверхности.

Зоны обнаружения (зоны видимости). Используя зависимость можно построить в полярной системе координат график контура зоны в вертикальной плоскости, в пределах которой цель с известной обнаруживается с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги радиолокатором с параметрами Однако такой график не дает полного представления об особенностях зон обнаружения, поэтому его принято строить в декартовых координатах используя формулу для но при этом не учитываются рефракция и кривизна Земли. В связи с этим графики зон видимости корректируют. Для учета рефракции расчет ведется для стандартной атмосферы и заменяется на Кроме того, оставляя траектории радиоволн прямолинейными, преобразуют прямоугольную систему координат в криволинейную, переходя к координатам "наклонная дальность - приведенная высота". Под приведенной высотой понимают высоту цели над горизонтальной плоскостью проходящей через антенну. Приведенная высота связана с истинной высотой цели Нследующим соотношением (рис. 5.12):

На полученной таким образом зоне обнаружения в вертикальной плоскости (рис. 5.12) обычно указывают линии равных истинных высот и линии равных углов места.

Рис. 5.12. Зоны обнаружения в вертикальной плоскости для радиолокатора (светлая зона - работа на одной частоте, темная зона - на двух частотах)