CC BY
303
2006
НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
№ 107
УДК 621.396
Оценка точности и разрешающей способности нелинейных радиолокаторов с ЛЧМ сигналом
В.С. МОСОЛОВ,
Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.
В статье рассматривается возможность увеличения разрешающей способности нелинейного радиолокатора при излучении ЛЧМ сигнала и приеме отраженного сигнала на гармониках. Проведена оценка дальности при обнаружении реальных объектов нелинейной РЛС.
При разработке РЛС необходимо изыскивать способы повышения их точности, разрешающей способности, а также дальности действия без увеличения уровня излучаемой мощности и габаритных размеров антенных систем. Максимальная мощность зондирующего сигнала ограничена ресурсами энергопотребления, а габаритные размеры антенн -требованиями к мобильности радиолокатора. Предельно достижимая точность радиолокатора характеризуется потенциальной среднеквадратической ошибкой (СКО) измерения дальности до объекта.
Одним из путей повышения эффективности обнаружения объектов является использование в качестве зондирующего сигнала широко используемый в радиолокации широкополосный сигнал, каковым является линейно-частотный модулированный сигнал (ЛЧМ). У таких сигналов несущая частота меняется по закону:
+—>, (1)
t.
imp
где f - начальное значение частоты; Dfd - девиация частоты; timp - длительность импульса.
Линейному закону изменения частоты (1) соответствует квадратичный закон изменения фазы ЛЧМ сигнала:
ф(<) = 2я| f (t) dt - 2 ft+рг, (2)
где p-Pf
t.
imp
В этом случае для прямоугольного ЛЧМ импульса комплексная огибающая сигнала будет иметь вид:
eibt\ if It <t. /2,
S (t)- \ 11 imp (3)
|0 if|t| >t,mp /2.
Найдем эффективную ширину спектра огибающей для ЛЧМ сигнала для линейной радиолокации. Для этого воспользуемся выражением для нормированной корреляционной функции и формулой (3). В результате вычислений получим:
f - 3 b2 t2mp -f (4)
Для нелинейной радиолокации вместо формулы (2) на n-й гармонике будем иметь:
ф„ (t)- 2npf0t + nbt2. (5)
Сравнение соотношений (5) и (2) показывает, что для нелинейной радиолокации вместо b,
т.е. вместо А/й, в финальных соотношениях надо писать просто пА/й.
Таким образом, эффективная ширина спектра огибающей для ЛЧМ сигнала для нелинейной радиолокации будет иметь вид:
,рАЛ
АС = п-
3
(6)
Как видно из формулы (6), на 2-й гармонике ширина спектра оказывается в 2, на третьей в 3, на четвертой в 4 раза больше, чем на основной гармонике. Рис. 1 иллюстрирует эту зависимость.
Рис. 1. Увеличеные эффективной ширины спектра в зависимости от номера гармоники для ЛЧМ сигнала
Рассеиваемое поле стационарно, собственные шумы приемных устройств радиолокатора являются белыми, аддитивными. Центральная частота и полоса пропускания фильтра АFn в приемном тракте совпадают с несущей частотой и шириной спектра сигнала. Амплитуды отраженных радиоволн распределены по закону Рэлея, а фазы - равномерно на интервале [0; 2 р ].
Частота радиоволны, отраженной объектом при облучении ЛЧМ-сигналом, модулирована по линейному закону; скорость изменения частоты и огибающей сигнала на п-й гармонике, увеличивается в п раз относительно значений у и Ь. При этом корреляционную функция на выходе приемника, нормированную к энергию принимаемого сигнала [3], можно представить следующим выражением
Г А2 Л
Рп СО = ЄХР
пу2 {л Ь 1 + -4
у
2
V
У
Дисперсия оценки дальности находится по формуле
1
(7)
(8)
" аяр \ (0)
где ап - отношение сигнал/шум на п-й гармонике, которое определяется мощностью
облучающего поля, коэффициентом усиления передающей антенны, эффективной площадью приемной антенны, эффективным квазипоперечником рассеяния объекта, “нелинейной” эффективной площадью рассеяния (ЭПР) объекта [1], плотностью потока энергии облучающего поля в месте расположения рассеивателя, дальностью до цели, коэффициентом шума.
С использованием преобразований приведенных в [3] определим точность оценки дальности до объекта
*■ = ■ -СТ , (9)
2у1 рапп [1 +(А/х)
где с - скорость света.
2
X
На рис. 2-4 приведены СКО измерения координат автомобилей КАВЗ-651 с
цельнометаллическим кузовом, “Урал-375” и трактора “С-100” соответственно на второй, третьей и четвертой гармониках облучающей волны при обнаружении этих объектов на расстоянии 1 км от нелинейной РЛС с несущей частотой 155 МГц пиковой мощностью излучаемого сигнала Р0=1кВт, коэффициентом усиления излучающей антенны G0=100, эффективной площадью раскрыва приемной антенны 1 м2 и пороговой чувствительностью приемного устройства 120 дБ/Вт [2]. Значения эффективного квазипоперечника рассеяния объекта рассчитаны по результатам изменения “нелинейных” ЭПР объектов в условиях открытого полигона на трассе “земля - земля” при использовании зондирующего сигнала длительностью импульсов 5 мкс и частотой следования 360 Гц. Для устранения аномальных ошибок при срабатывании регистрирующего устройства в приемный тракт радиолокационного измерительного комплекса был включен расширитель импульсов, обеспечивающий увеличение
4 2
их длительности до 400 мкс. “Нелинейные” ЭПР sn х 10 м , усредненные в секторе углов 360°, рассчитаны как их средние арифметические значения по мощности сигналов на входах приемных устройств [1] и представлены в табл. 1.
Таблица 1. “Нелинейная” ЭПР объекта на n-й гармонике sn х
10-4 , м2
№ Г армоники Автомобиль “КАВЗ-651” Автомобиль “Урал-375” Трактор “С-100”
2 2,60 2,3 3,10
3 24,30 18,60 26,50
4 0,20 0,18 0,97
Из полученных результатов следует, что точность измерения расстояния до объекта возрастает при увеличении отношения сигнал/шум на входе приемного устройства, девиации частоты и номера гармоники.
Наименьшая СКО оценки дальности достигается при обнаружении рассмотренных объектов на третьей гармонике облучающей волны, поскольку их ЭПР на третьей гармонике на 12-16 дБ превышает ЭПР на второй и четвертой гармониках. Данный эффект обусловлен тем, что основными источниками вторичного излучения на гармониках являются контакты “металл -диэлектрик - металл” с вольт-амперными характеристиками, имеющими наибольшие значения коэффициентов нелинейности 3-го порядка [1].
iV,
\\\ ф\\ \V,
V4:,
Ф-. _
Д/ ,мгц
Рис.2. Зависимости СКО измерения дальности до объекта на 2-й гармонике от девиации частоты: 1 — автомобиль ”КАВЗ-651 ”; 2 - автомобиль “Урал-375”, 3 - трактор “С-100”
4/" .МГц
Рис.3. Зависимости СКО измерения дальности до объекта на 3-й гармонике от девиации частоты: 1 — автомобиль “КАВЗ-651 ”, 2 - автомобиль “Урал-375”, 3 - трактор “С-100”
СТП .л/ 2.5 ------------------------------------------------------------------
2
0 5 1U 15 20 25 30
A f ,МГц
Рис.4. Зависимости СКО измерения дальности до объекта на 4-й гармонике от девиации частоты:
1 - автомобиль “КАВЗ-651 ”, 2 - автомобиль “Урал-375”, 3 - трактор “С-100”
ЛИТЕРАТУРА
1.Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами. // Успехи физических наук, Т.142, 1984.
2.Беляев В.В., Маюнов А.Т., Разиньков С.Н. Состояние и перспективы развития нелинейной радиолокации. // Зарубежная радиоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники, № 6, 2002.
3.Григорин-Рябов В.В. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). М. Сов. радио, 1970.
4.Парватов Г.Н., Семенов В.С., Шостак А.С. Нелинейно-радиолокационный обнаружитель на основе использования нескольких ЛЧМ зондирующих сигналов. В кн. Радиолокация, навигация и связь. Воронеж: ВНИИС, 1999.
5.Беляев В.В., Маюнов А.Т., Разиньков С.Н. Оценка характеристик обнаружения объектов средствами нелинейной радиолокации при использовании ЛЧМ сигналов. // Зарубежная радиоэлектроника: Успехи современной радиоэлектроники, 2003.
V.S. Mosolov
Estimation of accuracy and resolution of non-linear radars with chirp waveform
In paper the possibility of resolution increase of non-linear radar at chirp waveform radiating and receive of reflection signal at harmonics. The estimation of detection range of actual objects using non-linear radar.
Сведения об авторах
Мосолов Виталий Сергеевич, 1979 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), аспирант кафедры авиационных радиоэлектронных систем МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование радиотехнических устройств.
