www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Максимальная однозначно измеряемая дальность

Рисунок 1. К пояснению эффекта неоднозначного измерения дальности

Рисунок 1. К пояснению эффекта неоднозначного измерения дальности

Рисунок 1. К пояснению эффекта неоднозначного измерения дальности

Что такое однозначность измерения дальности?

Максимальная однозначно измеряемая дальность

Как известно, основным методом, используемым в радиолокаторах для измерения дальности до цели, является импульсный метод дальнометрии. В основе этого метода лежит измерение времени запаздывания отраженного от цели импульса (эхо-сигнала) относительно момента его излучения, т.е. относительно зондирующего импульса. Таким образом, обязательным условием корректного функционирования данного метода является рассмотрение эхо-сигнала в паре со „своим“ зондирующим импульсом. Однако во время работы радиолокатора зондирующие импульсы следуют один за другим через период зондирования и может возникнуть ситуация, когда эхо-сигнал, порожденный i-м зондирующим импульсом, поступит на приемник уже после того, как будет излучен следующий, (i+1)-й, зондирующий импульс. Очевидно, что это приведет к ошибочному измерению времени запаздывания отраженного импульса и, соответственно, дальности до цели. В подобных ситуациях говорят о неоднозначности измерения дальности цели.

Суть возникновения эффекта неоднозначного измерения дальности поясняется на Рисунке 1, на котором изображена развертка дальности индикатора радиолокатора. Зондирующие импульсы соответствуют нулевой дальности и следуют с периодом, равным времени распространения электромагнитной волны на дальность 300 км и обратно. Кроме них на рисунке показаны эхо-сигналы двух целей: на дальности 200 км и на дальности 400 км.

Эхо-сигнал первой цели имеет время запаздывания, меньшее периода зондирования, и неоднозначность измерения дальности не возникает, поскольку эхо-сигнал легко идентифицируется как отражение от цели первого зондирующего импульса.

Эхо-сигнал второй цели имеет время запаздывания больше периода зондирования. В этом случае возникает неоднозначность измерения дальности, поскольку без дополнительной информации невозможно определить, каким зондированием порожден отраженный импульс: первым или вторым. Дальность, измеряемая относительно второго зондирующего импульса, будет ошибочной. Из рисунка видно, что измеренное значение дальности второй цели равно 100 км, тогда как реальное ее значение равно 400 км.

Обобщая проведенные рассуждения, можно выделить следующие возможные соотношения между значениями времени запаздывания t эхо-сигнала и периода зондирования Т:

Следовательно, максимальная однозначно измеряемая дальность Rmax – это максимальная дальность, для которой выполняется условие t < T.

С учетом того, что до момента закрытия приемника на время излучения зондирующего импульса должен произойти прием отраженного сигнала полной длительности, выражение для Rmax может быть представлено в виде:

Formel zur Bestimmung der maximalen Reichweite (1): Die maximale Reichweite R ist die Lichtgeschwindigkeit c multipliziert mit der Differenz aus der Impulsfolgeperiode (PRT) und der Länge des Sendeimpulses (PW), geteilt durch 2 (von Laufzeit für Hin- und Rückweg!)

(1)

  • Rmax = максимальная однозначно измеряемая дальность [m]
  • c0 — скорость распространения электромагнитной волны [3·108 м/с];
  • T — период следования зондирующих импульсов [с];
  • τ — длительность зондирующего импульса [с].

Делитель „2“ в формуле (1) соответствует прохождению зондирующим импульсом пути от радиолокатора до цели и обратно.

Если длительность зондирующего импульса намного меньше периода зондирования радиолокатора, то ею можно пренебречь. С учетом этого формула для максимальной однозначно измеряемой дальности для любого импульсного радиолокатора примет вид:

Уравнение для определения однозначного диапазона Rmax (2): Rmax определяется путем умножения скорости света (c) на период внутриимпульса (PRT) и деления на 2; или скорость света (с) делится на частоту повторения двойного импульса.

(2)

  • fp = частота повторения зондирующих импульсов [Гц или с-1]

Рассмотрим радиолокатор с частотой повторения импульсов fp = 1 000 Гц. Тогда период зондирования, как величина обратная частоте повторения импульсов, равен T = 1/fp = 1/1000 = 1мс. В соответствии с формулой (2) максимальная однозначно измеряемая дальность составит:
Rmax = (3·108·1·10-3)/2 = 1,5·105 м = 150 км. Вопрос: если радиолокатор принимает эхо-сигнал от цели со временем запаздывания 100 мкс, можно ли считать измеренную по нему дальность цели однозначной?
Ответ: вопрос поставлен некорректно. Эхо-сигнал со временем запаздывания 100 мкс может поступить от цели с дальности как 15 км, так и 165 км.
Однозначный результат возможно получить сформулировав вопрос в обратном порядке, т.е. относительно дальности цели, а не времени запаздывания. Тогда ответ будет следующим: дальность цели 15 км является для данного радиолокатора однозначно измеряемой дальностью и запаздывание эхо-сигнала в этом случае составит 100 мкс.

Таким образом, период зондирования является важным параметром, который следует учитывать при обработке результатов измерения дальности цели радиолокационным способом или при построении алгоритмов измерения дальности. Причина заключается в том, что если время запаздывания эхо-сигнала будет больше периода зондирования, то отметка цели будет отображаться в неправильном месте (на неправильной дальности) индикатора.

Рис. 2: К пояснению результата использования воббуляции периода зондирования

Рис. 2: К пояснению результата использования воббуляции периода зондирования

Рис. 2: К пояснению результата использования воббуляции периода зондирования

Воббуляция периода зондирования

Для устранения возможной неоднозначности измерения дальности применяют воббуляцию (от английского слова to wobble — шатать, качать) периода зондирования — скачкообразное изменение его значения. В этом случае отметки от цели, находящейся на однозначно измеряемой дальности, будут отображаться на индикаторе в одном и том же месте. Если же дальность цели превышает значение максимальной однозначно измеряемой дальности, то отметки такой цели будут постоянно смещаться (Рисунок 2) и отображаться будет не одна, а несколько отметок. Такой признак используется в алгоритмах обработки сигналов для устранения неоднозначности измерения дальности.

Для примера на Рисунке 3 изображены отметки целей на экране первичного радиолокатора. Толстая короткая дужка является отметкой цели, а тонкая и более длинная дужка — отметкой сигнала ответчика системы опознавания государственной принадлежности (наземного радиолокационного запросчика, НРЗ). Также на индикаторе видны сигналы ответчика цели, находящейся на дальности, большей максимальной однозначно измеряемой дальности для данного радиолокатора, при использовании воббуляции периода зондирования. Из рисунка следует, что НРЗ не использует каждый синхроимпульс первичного радиолокатора.

Количество неоднозначных откликов системы опознавания может быть уменьшено путем снижения мощности передатчика НРЗ. При использовании зондирований с постоянным периодом можно ожидать, что отметки неоднозначных эхо-сигналов станут похожи на отметки целей, находящихся на однозначно измеряемых дальностях, т. е. будут иметь вид дужек.

Однозначная отметка цели
двузначный цель

Рисунок 3. Вид индикатора кругового обзора радиолокатора в режиме воббуляции периода зондирования (зеленой стрелкой показана отметка цели на однозначно измеряемой дальности, состоящая из отметки эхо-сигнала первичного локатора и отметки НРЗ; красной стрелкой показаны отметки НРЗ от цели, находящейся за пределами однозначно измеряемой дальности)

Однозначная отметка цели
двузначный цель

Рисунок 3. Вид индикатора кругового обзора радиолокатора в режиме воббуляции периода зондирования (зеленой стрелкой показана отметка цели на однозначно измеряемой дальности, состоящая из отметки эхо-сигнала первичного локатора и отметки НРЗ; красной стрелкой показаны отметки НРЗ от цели, находящейся за пределами однозначно измеряемой дальности)

Однозначная
отметка цели
цель превышающим
период повторения

Рисунок 3. Вид индикатора кругового обзора радиолокатора в режиме воббуляции периода зондирования (зеленой стрелкой показана отметка цели на однозначно измеряемой дальности, состоящая из отметки эхо-сигнала первичного локатора и отметки НРЗ; красной стрелкой показаны отметки НРЗ от цели, находящейся за пределами однозначно измеряемой дальности)

Исключения

Более современные трехкоординатные радиолокаторы с фазированными антенными решетками (например, AN/FPS-117) не подвержены неоднозначности измерения дальности цели. Системный компьютер управляет лучом антенны таким образом, что отклик от цели на неоднозначной дальности не принимается, поскольку в следующем периоде зондирования луч будет направлен уже в другом направлении.

Если в радиолокаторе используются разная внутриимпульсная модуляция или разная форма зондирующих импульсов, то проблема однозначности измерения дальности также перестает быть актуальной. В данном случае для каждого принятого эхо-сигнала можно точно определить его исходный зондирующий сигнал.

Радиолокаторы, установленные на спутниках дистанционного зондирования Земли, как правило, выполняют измерения на дальностях, которые выходят далеко за пределы максимальных однозначно измеряемых дальностей. Однако высота орбиты спутника известна и поэтому всегда можно определить, в каком периоде зондирования поступит эхо-сигнал. В данном случае задача сводится к определению некоторого сравнительно небольшого приращения дальности относительно известной высоты орбиты спутника. Если воспользоваться примером, изображенным на Рисунке 1, то истинная дальность до цели (объекта на поверхности Земли) составляет 400 км, а измеряться она будет по запаздыванию эхо-сигнала, поступившего во втором периоде зондирования.

Источник: