1.2. ПАССИВНЫЕ РАДИОПОМЕХИ

1. Мешающие отражения от земной поверхности

Общая характеристика мешающих отражений. Радиосигналы, излучаемые как по основному, так и по боковым лепесткам диаграммы направленности передающей антенны, отряжаются земной поверхностью и, поступая на вход приемника, мешают его работе. Отражения от поверхности

Земли сказываются на работе наземных РЛС тем сильнее, чем выше поднята антенна РЛС над земной поверхностью. Самолетные РЛС в большей степени подвержены действию мешающих отражений от земной поверхности, чем наземные. Это связано с движением самолета и характером отражения от Земли при различных углах визирования.

Интенсивность мешающих отражений зависит от многих факторов: прежде всего от длины волны, поляризации сигнала, структуры, физических и химических свойств отражающей площадки, угла визирования и т. п. Отражение волн от земной поверхности может быть зеркальным и диффузным. Чисто зеркальное отражение имеет место только для идеально гладких (зеркальных) поверхностей, которыми, например, иногда можно считать бетонные дорожки аэродромов и асфальтированные шоссе. Реальные земные поверхности (трава, лес, пашня) создают как зеркальные, так и диффузные отражения. Часто Зеркальную составляющую называют когерентной, а диффузную — некогерентной.

Диаграмма направленности зеркальной составляющей излучения имеет ту же форму, что и при отражении волн от идеально гладкой поверхности [167]. Диаграмма направленности диффузной составляющей излучения имеет форму, близкую к сфере, касательной к поверхности земли. Доля рассеянного диффузного излучения зависит в основном от степени неровности (шероховатости).

Вид отражения (диффузный или зеркальный) по-разному сказывается на работе РЛС. Так, зеркальное отражение вызывает изрезанность диаграммы направленности, появление ложных целей — «двойников» и часто приводит к систематическим ошибкам измерения координат. Зеркальные отражения иногда эквивалентны действию имитирующих помех. Интенсивность зеркальных мешающих отражений оценивают с помощью коэффициента отражения определяемого как отношение отраженной мощности Ротр к падающей

Коэффициент отражения котр, определяющий долю мощности отраженной волны, сильно зависит не только от вида поверхности и угла между нормалью к облучаемой площадке и направлением на РЛС, но и от поляризации сигнала.

На рис. 1.8 приведены зависимости коэффициента жения от для радиоволн с горизонтальной и

вертикальной (нормальной) поляризациями [148, 74]. Эти зависимости получены для длины волны 10 см (сплошная линия) и 1 см (пунктир) для гладкой земной поверхности. При некоторых углах называемых углами Брюстера, наблюдается явление полного преломления, и отраженная волна отсутствует либо энергия ее очень мала. Физически это объясняется тем, что при падении электромагнитной волны из оптически менее плотной среды в среду, более плотную, волна после преломления на границе раздела двух сред полностью переходит в более плотную среду (землю) и там поглощается. Это интересное явление может быть использовано в радиолокации для устранения мешающих зеркальных отражений путем соответствующего выбора позиции РЛС.

Чаще всего в радиолокации встречаются с диффузным отражением, которое порождает случайный помеховый сигнал, оказывающий маскирующее действие. Энергетически мешающее влияние маскирующего диффузного отражения оценивается значением удельной эффективной площади рассеяния отражающего участка земной поверхности. Удельная ЭПР представляет собой эффективную площадь рассеяния, приходящуюся на единицу площади поверхности отражения. Значения удельной ЭПР определяют в основном экспериментально. Наиболее полный материал по измерениям собран в работе [65]. В таблице приведены характеристики удельной ЭПР для некоторых типов поверхности при вертикальных углах визирования [21].

Отраженный от земной поверхности сигнал может быть представлен в виде аддитивной смеси когерентной (зеркальной) составляющей и узкополосного нормального шума порожденного диффузной составляющей, т. е.

где огибающая, случайная фаза.

Рис. 1.8.

В общем случае одномерный закон распределения амплитуды подчинен закону Райса [65]

Таблица (см. скан)

где дисперсия шумовой составляющей; функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента.

Если поверхность обладает крупной шероховатостью и когерентная составляющая мала то распределение огибающей близко к закону Релея

При мелкой шероховатости, когда когерентная составляющая преобладает закон распределения переходит в нормальный:

Закон распределения фазы отраженного сигнала также зависит от соотношения интенсивности когерентной и некогерентной составляющих. В общем виде плотность вероятности для фазы выражается формулой [172]

При плотность распределения неравномерна и имеет максимум при . С увеличением шероховатости распределение приближается к равномерному. В сантиметровом диапазоне часто можно не считаться с когерентной составляющей. В этом случае закон распределения амплитуд можно принимать релеевским, а фаз — равномерным.

При анализе мешающих отражений важное значение имеет также вид корреляционной функции отраженного сигнала или форма его спектра.

Относительное движение радиоэлектронного средства и цели приводит к тому, что спектр мешающего сигнала на входе приемника РЛС существенно искажается по сравнению со спектром полезного сигнала. На рис. 1.9 показана часть спектра, соответствующего импульсному сигналу самолетной РЛС и примыкающего к несущей частоте зондирующего сигнала [147]. Форма спектра всего сигнала может быть легко получена, если учесть симметрию составляющих где частота повторения импульсов.

Зондирующий сигнал, непосредственно проходящий в приемный тракт, имеет дискретную составляющую вокруг которой располагается выброс 2 сигнала, поступающего от земной поверхности, находящейся непосредственно под самолетом. Спектральные составляющие 3 соответствуют отраженным от местных предметов сигналам, принимаемым передними и задними боковыми лепестками. Несимметрия этой части спектра 3 относительно частоты объясняется наличием различных допплеровских сдвигов частоты у сигналов, принимаемых боковыми лепестками диаграммы направленности антенны с разных направлений.

Вредное отражение от земной поверхности, принимаемое главным лучом, создает выброс 4. Полезный сигнал 5, поступающий от цели, которая сближается с РЛС, наблюдается

Рис. 1.9.

в данном случае на фоне внутренних шумов 6. Отражающая поверхность может влиять и на величину систематического допплеровского сдвига частоты. При отражении от морской поверхности из-за движения волн возникает систематическое смещение частоты, составляющее доли и даже единицы процента относительно средней частоты Допплера [65].

Можно отметить некоторые факторы влияния Земли, ухудшающие характеристики РЛС (дальность обнаружения, разрешающую способность, точность и т. д.):

— изрезанность диаграмм направленности антенн РЛС в области малых углов места, приводящая к сокращению дальности обнаружения маловысотных целей;

— наличие местных предметов, вызывающее сокращение дальности действия из-за затенения целей;

— многолучевость распространения, увеличивающая ошибку сопровождения цели по углу места (происходит раздвоение цели на истинную цель и ее антипод);

— интерференция прямого и отраженного лучей в РЛС с коническим сканированием, вызывающая биения принимаемого сигнала, что порождает появление значительных угловых ошибок;

— шероховатость земной поверхности, вызывающая при отражении от нее радиоволн существенное искажение спектра сигнала, что затрудняет работу схем селекции движущихся целей и систем автоматического сопровождения по скорости.

Подробный анализ этих мешающих факторов позволяет определить рациональные (в определенном смысле) способы и устройства борьбы с помехами, вызываемыми естественным влиянием Земли.

Дальность обнаружения низколетящих целей. Влияние Земли при малых углах места приводит к многолепестковости диаграммы направленности антенны РЛС. Нижний лепесток отжат от земли на угол значение которого связано с высотой подъема антенны и длиной волны К формулой [166]

Мощность сигнала, принимаемого РЛС, с учетом влияния земли записывается в виде [166]

где мощность передатчика коэффициент усиления антенны эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели; гц — дальность до цели; интерференционный множитель, который для малых углов места равен

высота цели относительно поверхности земли.

Если чувствительность приемника РЛС равна Рсвх то из (1.2.1) и (1.2.2) получим максимальную дальность действия РЛС при обнаружении низколетящей цели

Принимая во внимание, что максимальная дальность действия РЛС, вычисляемая без учета влияния земли, равна

из (1. 2. 3) и (1.2.4) получаем

где

Формулы (1.2.3) и (1.2.5) получены путем линеаризации функции и поэтому справедливы при условии

Выражение (1.2.5) показывает, что дальность обнаружения маловысотных целей существенно снижается. Повышение энергетического потенциала еще меньше сказывается на величине максимальной дальности обнаружения (корень восьмой степени) по сравнению с обнаружением высоколетящих целей (корень четвертой степени).

Рис. 1.10.

Препятствия также влияют на дальность обнаружения РЛС вследствие затенения (экранирования) целей. Поле в области тени (за препятствием) значительно ослабляется. Коэффициент ослабления зависит от геометрических размеров и формы препятствия. Значение коэффициента ослабления и соответствующее уменьшение дальности действия РЛС может быть подсчитано по методике, изложенной в [57]. Следует заметить, что даже сравнительно невысокие препятствия (холм, деревья и др.) могут приводить к снижению дальности обнаружения в несколько раз.

Флуктуации эффективного центра отражения низколетящей цели. Многолучевость распространения радиоволн вблизи земли приводит к тому, что низколетящая одиночная цель представляется как групповая. С приемлемым для практики приближением одиночная цель может быть представлена как парная цель (истинная цель и ее антипод Ц) на рис. 1.10.

Различают три основных случая образования антипода. Первый из них характеризуется тем, что отражение радиоволн происходит в области, примыкающей к месту расположения антенны РЛС (рис. 1.10, точка Образующаяся парная цель оказывает мешающее действие на наземную РЛС, антенна которой отслеживает цель с ошибкой, особенно заметной в. угломестной плоскости. Эффективный центр парной цели блуждает в угломестной плоскости и может даже выходить за базу.

Второй случай характеризует отражение радиоволн в области нахождения цели (рис. 1.10, точка Этот случай неблагоприятен для работы разнесенных радиолокационных

Рис. 1.11.

систем, в которых передающие и приемные устройства удалены на некоторое расстояние. Примером такой системы является система полуактивного самонаведения ракеты типа «земля—воздух».

Наконец, в третьем случае отражение происходит в районах расположения цели и РЛС (точки Мешающее действие парной цели сказывается на работе совмещенных и разнесенных радиолокационных систем. Применительно к системе полуактивного самонаведения ракет отражения оказывают мешающее влияние как на наземную РЛС, так и на радиолокационную головку самонаведения ракеты.

В статье [120] получено выражение для плотности вероятности ошибки сопровождения геометрического центра флуктуирующих источников

где относительная ошибка сопровождения центра парных источников (рис. 1.11); высота полета, линейная ошибка; отношение мощностей сигналов, переизлученных целью и землей.

Среднее значение относительной ошибки равно

Отсюда

Выражение (1.2.7) показывает, что при сопровождении пизколетящих целей математическое ожидание линейной ошибки отклонения равносигнального направления не может быть больше высоты полета, т. е.

Если цель имеет линейные размеры 21 (рис. 1.11), то вероятность того, что линия визирования при сопровождении цели будет находиться в ее пределах, определяется по формуле

где

На рис. 1.12 приведены зависимости вероятности от для некоторых значений отношения Кривые показывают сильное влияние отраженного сигнала на точность сопровождения низколетящей цели. Значительное ухудшение точности автосопровождения цели, даже при слабых отражениях от земли, существенно снижает эффективность применения радиоэлектронных систем.

Влияние интерференции прямого и отраженного сигналов на точность автоматического сопровождения по направлению. При движении летательного аппарата на входе РЛС образуются низкочастотные биения, которые обусловлены интерференцией сигналов, переизлучаемых воздушной целью (прямой сигнал) и землей [64]. Кроме того, возникает второй мешающий сигнал за счет взаимных биений сигналов, отраженных местными предметами. Наиболее сильно действуют помехи, порожденные взаимными биениями прямого и отраженного сигналов.

Рис. 1.12.

Значительное влияние мешающее отражение будет оказывать, если допплеровское смещение спектров близко к частоте сканирования антенны РЛС.

При оценке ошибок сопровождения низколетящей цели будем считать, что РЛС работает в пассивном режиме пеленгации с непрерывным зондирующим сигналом. В таких условиях на входе антенны РЛС будут действовать сигналы

где амплитуда полезного сигнала; амплитуда мешающего сигнала, порожденного отражениями от земли;

— несущая частота; радиальные скорости сближения цели и ее антипода Суммарный сигнал при равен

При использовании в пеленгаторе квадратичного детектора на его выходе образуется напряжение

где k — постоянный коэффициент.

Исследуя (1.2.8), замечаем, что в составе продетектированного напряжения присутствует составляющая частоты биений Если радиальные скорости таковы, что частота биений станет близка к частоте сканирования т. е.

то на частоте сканирования образуется помеха, которая вызовет в контуре слежения возмущение.

Для определения ошибки в сопровождения цели найдем обобщенную пеленгационную характеристику для случая пеленгации парных движущихся источников (рис. 1,10).

В результате действия сигналов и на выходе приемной сканирующей антенны РЛС с диаграммой направленности получим

где

смещение максимума диаграммы направленности относительно равносигнального направления; угловое расстояние между источниками

Пропуская далее сигнал и через квадратичный детектор и селективный усилитель, настроенный на частоту и считая — на выходе фазового детектора получаем напряжение равное с точностью до постоянного множителя

Выражение (1.2.15) представляет собой обобщенную пеленгационную характеристику. В стационарном состоянии

Соотношения (1.2.10) — (1.2.16) позволяют записать уравнение, с помощью которого может быть найдена ошибка углового сопровождения цели

где

Рис. 1.13.

Численное решение уравнения (1.2.17) позволяет получить зависимости величины ошибки сопровождения цели от угла Эти зависимости для разных приведены на рис. 1.13. Анализ графиков показывает, что при сравнимых мощностях полезного и мешающего сигналов эффективный центр может находиться выше цели При увеличении мощности мешающего сигнала (росте ошибка сопровождения цели уменьшается и при малых эффективный центр смещается вниз от цели.

Помеховые возмущения наблюдаются всякий раз, как только частота биений становится близкой к частоте сканирования или ее гармоникам. Эффективность этих возмущений может быть ослаблена изменением частоты сканирования или сужением полосы пропускания угломерного канала. Последняя мера влияет на время действия помехи, т. е. на время, в течение которого помеховые возмущения частоты находятся в полосе пропускания контура слежения.