Оценка эффективности устройств СДЦ радиолокационных станций 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:

1) Расчет вероятности правильного обнаружения в беспомеховой обстановке по методике (1);

2) Определение отношения сигнал/помеха в условиях пассивных помех на основе рассчитанного энергетического спектра мощности помехи;

3) Расчет отношения сигнал/помеха при включении в схему обработки системы СДЦ;

4) 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

1) Гребцов Г.М. Эффективность обнаружения целей корабельными РЛС, ВМОЛУА, 1988.

2) Бакулев П.А. Радиолокация движущихся целей. М.: Сов. радио, 1964.

3) Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства СДЦ. М.: Сов. радио, 1986.