Определение параметров навигационных РЛС, обеспечивающих максимальную дальность видимости радиолокационных отражений от морского волнения Текст научной статьи по специальности «Физика»

1881

технологии I измерительная аппаратура

определение параметров навигационных РЛС,

обеспечивающих максимальную дальность видимости радиолокационных отражений от морского волнения

Иван УШАКОВ, д. т. н., профессор

Получена формула, связывающая максимальную дальность видимости радиолокационных отражений от поверхностного волнения с характеристиками РЛС и удельной эффективной площадью рассеяния (УЭПР) морской поверхности. Приведены соотношения для расчета УЭПР морской поверхности при малых углах скольжения.

введение

При радиолокации морской поверхности

Применение береговых и судовых навигационных РЛС в океанологии, а также для обнаружения разливов нефтепродуктов и в решении ряда задач по безопасности судоходства основано на приеме и обработке сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности [1, 2]. При решении этих задач параметры используемых РЛС следует выбирать из условия обеспечения максимальной дальности видимости отражений от поверхностного волнения.

Морская поверхность представляет собой сложную распределенную цель, рассеивающие свойства которой зависят от многих факторов [3-5]. Кроме того, параметры такой цели (размеры облучаемого участка морской поверхности — элемента разрешения) определяются характеристиками РЛС. Известные формулы [6] для расчета дальности действия РЛС, полученные для сосредоточенных целей, в этом случае неприменимы.

В данной работе получена формула для расчета максимальной дальности видимости радиолокационных отражений от поверхностного волнения. Рассмотрены также соотношения для расчета УЭПР морской поверхности с учетом условий наблюдения и рабочей длины волны РЛС.

вывод формулы,

связывающей максимальную дальность видимости радиолокационных отражений от поверхностного волнения с УЭПР морской поверхности и характеристиками РЛС

Отражательные свойства целей характеризуются эффективной площадью рассеяния (ЭПР). По определению выражение для ЭПР [6]:

S = S0S,

(2)

s =

: (4р№о)ПрЛС)/Пц,

где R0 — расстояние от РЛС до цели; ПРЛС и Пц — поверхностная плотность потока энергии, принимаемой антенной и падающей на цель.

где а0 — УЭПР морской поверхности (ЭПР одного квадратного метра); 5 — площадь элемента разрешения, которая для импульсных навигационных РЛС определяется соотношением:

S = с xRotg©,,

(3)

в котором т — длительность зондирующих импульсов, ®2 — полуширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает вид:

SoC Tig®, = 4пЧПРЛС/Пц). Мощность отраженных сигналов на входе РЛС:

Рвх = ПРЛС$ц,

где Ба — площадь апертуры антенны. Плотность потока энергии у цели:

а

П„ = Р.

Ц И у| п2 '

4 кЦ

(4)

(5)

(6)

где Ри — мощность излучения; G — коэффициент усиления антенны. С учетом (5) и (6) выражение (4) принимает вид:

CJ0CTtg©a

(7)

(1)

S PG

а и

Максимальная дальность определяется из условия получения на входе РЛС необходимой минимальной мощности РВх min, которая определяется чувствительностью приемника. Из (7) следует:

Rn

a0cztg&eSaPuG

(4 я)2^

(8)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2012

измерительная аппаратура | технологии

189

Особенности рассеяния радиоволн

морской поверхностью

при малых углах скольжения

Для береговых и судовых РЛС характерным является облучение морской поверхности при малых углах скольжения, не превышающих нескольких градусов. В этой области углов скольжения существенное влияние имеют нерезонансные механизмы рассеяния [4] (отражение от фацетов с достаточно большим радиусом кривизны; краевая дифракция при заострении гребней волн перед обрушением; отражение от брызг, срываемых с гребней волн и образующихся при их разрушении), и аналитически полученные формулы для расчета УЭПР морской поверхности отсутствуют. В этом случае можно воспользоваться эмпирической моделью, предложенной на основании экспериментальных исследований закономерностей рассеяния радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов (частота радиоволн — от 10 до 100 ГГц) при скорости ветра до 15 м/с [4, 5].

В соответствии с этой моделью УЭПР можно рассчитать по формуле:

Коэффициент, учитывающий влияние угла скольжения:

а0 = 7х10~

т

/о,

+ 1,36x10 /ехр(1,4и).

А =

1+(ч>/чд4

(10)

где укр — критический угол скольжения, определяемый по формуле:

укр * (3,6х103)/(л/и2,5), (11)

в которой /— рабочая частота РЛС, ГГц; и — скорость ветра, м/с.

Наличие повышенной рефракции в приводном слое тропосферы в рамках предложенной модели учитывается путем увеличения действительного угла скольжения, подставляемого в формулу (10). Этот угол можно рассчитать по формуле:

V = ^№0)+0^0дгаап, (12)

где Ь — высота расположения антенны; gradn — градиент показателя преломления.

Коэффициент, учитывающий влияние скорости ветра:

А„ =

(и/Цр)"

(13)

(9)

где /— частота радиосигнала, ГГц; / = 10 ГГц; Ау, Аи, Аа — безразмерные множители, учитывающие зависимость УЭПР от угла скольжения (у), скорости ветра (и) и угла (а) между направлениями облучения и генерального распространения волн.

В выражении (9) первое слагаемое определяет вклад в УЭПР обратного рассеяния от морской поверхности, а второе слагаемое — вклад отражений от брызг, образующихся при обрушении морских волн.

Входящие в формулу (9) безразмерные коэффициенты рассчитываются следующим образом.

где и0 = 7 м/с — критическая скорость ветра (соответствует «насыщению» УЭПР при усилении ветра для РЛС с рабочей частотой 10 ГГц); п — показатель степени, зависящий от рабочей частоты и определяемый по формуле:

п = 1,25/0

(14)

Коэффициент, учитывающий влияние угла между направлениями облучения морской поверхности и ветра (генерального направления распространения поверхностных волн):

Аа = exp[0,375cosу(1-2,8а)/°-33]. (15)

Анализ формулы (9) показывает, что УЭПР морской поверхности увеличивается при уве-

личении рабочей частоты РЛС по крайней мере пропорционально корню квадратному из частоты.

Кроме того, анализ формул (10)—( 15) показывает, что безразмерные коэффициенты, входящие в формулу (9), также возрастают при росте рабочей частоты РЛС.

Заключение

Приведенные в работе формулы позволяют по заданным условиям наблюдений определить параметры береговых и судовых навигационных РЛС, обеспечивающих необходимую дальность видимости радиолокационных отражений от морской поверхности. Для находящихся в эксплуатации РЛС, зная их характеристики и режимы работы, можно также рассчитать дальность видимости отражений от поверхностных волн для различных условий наблюдения. ■

Литература

1. Шишкин И. Ф., Сергушев А. Г. Трассология в навигации // Судостроение. 2010. № 1.

2. Ничипоренко Н. Т., Маренич И. Е., Петров А. В., Мисюченко И., Трофимов Б. С., Ушаков И. Е. Обнаружение разливов нефтепродуктов с использованием навигационной РЛС // Судостроение. 2010. № 2.

3. Ушаков И. Е., Шишкин И. Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. М.: РИЦ «Татьянин день», 1997.

4. Кулемин Г. П., Луценко В. И. Обратное рассеяние миллиметровых радиоволн морской поверхностью // Зарубежная радиоэлектроника. 1996. № 7.

5. Гутник В. Г., Кулемин Г. П., Шарапов Л. И. Особенности обратного рассеяния радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов морской поверхностью при малых углах скольжения // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. № 1.

6. Голев К. В. Расчет дальности действия радиолокационных станций. М.: Советское радио, 1962.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2012

www.kit-e.ru