Оценка эффективности устройств СДЦ радиолокационных станций с ОВНЦ по целевым показателям
оценка эффективности устройств СДЦ РЛ С ОВНЦ по целевым показателям
Эффективность любой радиотехнической системы характеризует ее способность выполнять определенный комплекс задач в заданных условиях. Количественной мерой эффективности, позволяющей оценивать качество системы при работе в различных ситуациях, сравнивать системы между собой и т.д., являются показатели качества системы.
Обоснованный выбор показателей качества имеет очень важное значение при исследовании и проектировании радиотехнических систем. В общем случае выбираемый показатель качества должен:
отражать основное назначение системы и соответствовать цели исследования;
быть количественным, чтобы сравнение систем было обоснованным;
быть критичным по отношению к параметрам, определяющим его значение;
допускать достаточно простую физическую трактовку и, по возможности, просто определяться;
быть достаточно устойчивым, т.е. иметь малый разброс относительно среднего значения.
Основной задачей, стоящей перед радиолокационными станциями (РЛС) с селекцией движущихся целей (СДЦ), как известно, является обнаружение целей, в том числе и на фоне пассивных помех, определение координат и параметров их движения, а также сопровождение целей. Поэтому при анализе РЛС с СДЦ основными являются целевые показатели эффективности, учитывающие вероятность правильного обнаружения цели и точность определения координат объектов при определенной помеховой обстановке.
В режиме обзора наибольшее распространение получили характеристики обнаружения или рабочие характеристики приемника (РХП) РЛС с СДЦ, представляющие собой графические зависимости вероятности правильного обнаружения цели от отношения мощностей сигналов цели и помех при заданных вероятностях ложных тревог.
РХП дают достаточно полную оценку технической эффективности РЛС с СДЦ. Недостатком их является сложность определения и недостаточная критичность по отношению к техническим параметрам, оценивающим качество работы основных узлов станций.
Рассмотрим методику оценки эффективности РЛС с СДЦ на основе сравнительного анализа вероятности правильного обнаружения с учетом влияния кривизны Земли и затухания радиоволн в пространстве в условиях пассивных помех.
В основу методики положен учет изменения отношения сигнал/помеха при применении противником пассивных помех и его увеличение после включения в схему обработки схем защиты от пассивных помех.
Алгоритм методики включает в себя:
Расчет вероятности правильного обнаружения в беспомеховой обстановке по методике [1];
Определение отношения сигнал/помеха в условиях пассивных помех на основе рассчитанного энергетического спектра мощности помехи;
Расчет отношения сигнал/помеха при включении в схему обработки системы СДЦ;
Расчет вероятности правильного обнаружения в условиях помех с применением схем защиты.
Расчет вероятности правильного обнаружения в беспомеховой обстановке производится с учетом близости и сферичности Земли в зоне свободного пространства, а также в интерференционной и дифракционной области по формуле с учетом затухания радиоволн при распространении по формуле (1)
>
>,
(1)
где
– количество импульсов в принятой
пачке;
– отношение сигнал/помеха на входе
приемника РЛС с учетом множителя
ослабления
и
;
– порог обнаружения сигналов с учетом
заданной вероятности ложной тревоги
.
Порог обнаружения находится решением трансцендентного уравнения (2) или по приближенной формуле (3).
>
>,
(2)
>
>.
(3)
Множители
ослабления
и
вводятся для учета влияния интерференции
и дифракции на распространение радиоволн
и рассчитываются по формулам (4) и (13)
соответственно.
>
>,
(4)
где
– модуль коэффициента отражения от
поверхности Земли;
– значение диаграммы направленности
антенны в направлении падающего луча;
– значение диаграммы направленности
по мощности в вертикальной плоскости
в направлении прямого луча;
– геометрическая разность хода прямого
и отраженного лучей.
Угол между прямым лучом и осью диаграммы направленности антенны рассчитывается по формуле (5)
>
>,
(5)
где
– угол наклона антенны в вертикальной
плоскости;
– угол места цели;
Угол места цели с учетом кривизны Земли находится из выражения (6)
>
>,
(6)
где
– высота цели над поверхностью Земли;
– высота антенны над поверхностью
Земли;
– эквивалентный радиус Земли с учетом
рефракции радиоволн в атмосфере;
– дальность до цели по поверхности
Земли.
>
>,
(7)
где
– наклонная дальность до цели.
Для определения разности хода лучей
необходимо знать расстояние
от РЛС до точки отражения, получаемое
из формулы (7)
>
>.
(8)
Величина
находится решением кубического уравнения
(9)
>
>,
(9)
где
;
.
Разность хода лучей определяется из формулы (10)
>
>.
(10)
Угол скольжения находится из выражения (11)
>
>.
(11)
Модуль коэффициента отражения от взволнованной морской поверхности рассчитывается из выражения (12)
>
>,
(12)
где
– средняя высота морской волны;
– длина волны импульса, излученного
РЛС.
С увеличение наклонной дальности
угол скольжения уменьшается и после
достижения критического значения
расчеты нужно производить с учетом
влияния дифракции на распространение
радиоволн.
>
>,
(13)
где
– значение множителя ослабления на
дальности радиогоризонта;
– приведенная дальность до цели,
– приведенная дальность радиогоризонта;
– дальность радиогоризонта.
– множитель, учитывающий кривизну
Земли.
Для
сантиметровых и миллиметровых волн
зависит только от высотного параметра
,
который определяется по формуле (14)
>
>.
(14)
где
и
– приведенные высоты антенны и цели,
>
>,
(15)
>
>,
(16)
>
>.
(17)
Зависимость
от
аппроксимируется отрезками
>
>.
(18)
Расчет
отношения сигнал/помеха при включении
в схему обработки устройства СДЦ
производится с учетом коэффициента
подавления помехи
системы защиты по формуле
>
>,
(19)
где
– отношение сигнал/помеха при наличии
мешающих отражений без применения схем
защиты.
Для цифрового фильтра расчет коэффициента
подавления помехи
сводится к расчету отношения (20)
[2]
>
>.
(20)
где
– энергетический спектр помехи;
– амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) цифрового фильтра.
Энергетический спектр помехи от облака дипольных отражателей (ДО) можно найти через преобразование Фурье корреляционной функции помехи:
>
>.
Корреляционная функция помехи рассчитывается как произведение корреляционных функций, учитывающих влияние отдельных факторов, оказывающих воздействие на облако ДО: [3]
>
>
(21)
где
– интервал корреляции;
– корреляционная функция, учитывающая
разлет элементарных отражателей в
облаке;
– корреляционная функция, учитывающая
вращение антенны РЛС;
– корреляционная функция, учитывающая
движение носителя РЛС.
Причем:
>
>,
(22)
где
– длина волны сигнала РЛС;
– среднеквадратическое отклонение
(СКО) разлета элементов в облаке.
>
>,
(23)
где
– радиальная скорость вращения антенны;
– ширина диаграммы направленности
антенны на уровне 0,5;
– величина доплеровского сдвига.
>
>,
(24)
>
>,
(25)
где
– угол между курсом носителя и направлением
на объект наблюдения;
– скорость носителя РЛС.
В общем случае нормированная корреляционная функция, учитывающая разлет элементарных отражателей в облаке, вращение антенны и движение носителя РЛС, имеет график, представленный на рис. 1.
Нормированная корреляционная функция помехи
рис. 1
(26)
Отношение сигнал/помеха в условиях наличия мешающих отражений без применения схем защиты определяется как (27)
>
>
(27)
где
– эффективная площадь рассеивания
(ЭПР) цели;
– угол места цели;
– ширина диаграммы направленности
антенны РЛС в вертикальной плоскости;
– множитель ослабления сигнала;
– ЭПР части помехи, попавшая в разрешенный
объем РЛС;
– коэффициент усреднения;
– множитель ослабления помехи.
ЭПР части помехи, попавшая в разрешенный объем РЛС находится из формулы (29)
>
>,
(29)
где
– удельная ЭПР всего облака ДО;
– объем помехи, попадающей в разрешенный
объем РЛС;
Удельная ЭПР облака ДО при не совпадении поляризации рассчитывается по формуле (30) или (31) – при совпадении поляризации.
>
>,
(30)
>
>,
(31)
где
– объемна плотность облака ДО.
Объем
помехи находится из выражения (32) с
учетом ширины характеристики направленности
антенны в вертикальной и горизонтальной
плоскостях на уровне 0,5 (
и
)
и дистанции до объекта
.
>
>,
(32)
где
– длина помехи, попадающей в разрешенный
объем РЛС;
– площадь помехи, попадающей в разрешенный
объем РЛС.
Вследствие
значительной протяженности облака ДО
в вертикальной плоскости в структуре
сигнала присутствует значительное
количество интерференционных максимумов
и минимумов. Поэтому для упрощения
расчетов можно принять значение
.
Коэффициент
можно принять равным коэффициенту
затухания сигнала при обработке в РЛС
.
Коэффициент
усреднения
находится из формулы
>
>,
(28)
где
– интеграл вероятности.
Исходя
из найденного значения отношения
сигнал/помеха
вероятность правильного обнаружения
с учетом работы схем защиты находим по
формуле (1), подставляя значение
для соответствующих схем защиты.
На
рис. 2 приведены графики зависимости
вероятности правильного обнаружения,
рассчитанные по предложенной методике,
в зависимости от дальности с учетом
влияния кривизны Земли и затухания
радиоволн при распространении в атмосфере
при условии нахождении сигнала от цели
и помехи одном разрешаемом объёме, где
– вероятность обнаружения целей в
беспомеховой обстановке,
– вероятность обнаружения целей в
условиях помех при включении в схему
обработки адаптивных цифровых устройств
СДЦ,
и
– вероятности обнаружения целей в
условиях помех при применении схем
однократного и двукратного череспериодного
вычитания соответственно.
Вероятность правильного обнаружения
рис. 2
Применение представленной методики возможно при проведении расчетов по определению эффективности различных устройств селекции движущихся целей в радиолокационных станциях и комплексах освещения надводной и воздушной обстановки, навигационных РЛС и позволяет сравнивать эффективность устройств различных типов как на этапах разработки проектирования, так и в период эксплуатации.
Список использованных источников
радиолокационная станция селекция движущихся целей
Гребцов Г.М. Эффективность обнаружения целей корабельными РЛС, ВМОЛУА, 1988.
Бакулев П.А. Радиолокация движущихся целей. М.: Сов. радио, 1964.
Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства СДЦ. М.: Сов. радио, 1986.