View
102
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
MRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy. PŘEDNÁŠKA 2. 1 . 10 .20 13. Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. MRAR : PŘEDNÁŠKA 2. Rad iolokační cíle Radiolokační rovnice Vliv šíření elmag. vlny na činnost radarů Metody snímání prostoru. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
PŘEDNÁŠKA 2
MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy
Jiří ŠebestaÚstav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
25.9.2017
strana 2
MRAR: PŘEDNÁŠKA 2
RadRadiolokační cíleiolokační cíle
Radiolokační rovniceRadiolokační rovnice
Vliv šíření elmag. vlny na činnost radarů Vliv šíření elmag. vlny na činnost radarů
Metody snímání prostoruMetody snímání prostoru
strana 3
MRAR-P2: Radiolokační cíle (1/30)
Radiolokační cíle se definují pomocí odrazových vlastností cílů (statistických veličiny) : střední hodnota výkonu odraženého signálu, která závisí na odrazových vlastnostech cíle tvar spektrálních funkcí amplitudy a fáze, které jsou závislé na parametrech pohybu cíle v prostoru Dopplerův posuv kmitočtu, jenž závisí na relativní rychlosti cíle (jeho odrazných částí) vzhledem k radaru => dopplerovské spektrum
Dopplerovské spektrum turbín dvou blízkých větrných elektráren - mají jinou (azimutální) orientaci v prostoru, otáčky jsou prakticky shodné => různé radiální rychlosti = různé rozsahy dopplerovských spekter
strana 4
MRAR-P2: Radiolokační cíle (2/30)
Sekundární vyzařování dělíme na: odraz, který nastává jsou-li rozměry cíle velké vůči použité vlnové délce měřícího signálu a odrazná plocha je "hladká", (platí Snellovy zákony)
rozptyl, jenž vzniká jsou-li rozměry cíle velké vůči použité vlnové délce měřícího signálu a povrch cíle je "drsný"
rezonanční zařízení, které nastává jsou-li rozměry cíle srovnatelné s vlnovou délkou měřícího signálu a orientované rovnoběžně s vektorem elektrického pole záření
difrakci, jež nastává jsou-li rozměry cíle malé ve srovnání s vl-novou délkou měřícího signálu , energie přímé vlny se kolem cíle ohýbá (obtékání cíle)
strana 5
MRAR-P2: Radiolokační cíle (3/30)
Elementární cíl je objekt jednoduchého tvaru zhotovený z je-dnoduchého materiálu, např. koule, pravoúhlý kovový list, dipól, úhlový odražeč apod.
U těchto cílů lze popsat jejich odrazivé vlastnosti matematicky, obvykle vztahem v uzavřeném tvaru.
Složený cíl je souborem elementárních cílů konstrukčně spojených v jeden celek nebo volně rozptýlených v prostoru a volně se vůči sobě pohybujících.
Matematický popis vlastností vychází ze shrnutí příspěvků k celko-vému sekundárnímu záření od jednotlivých elementů (elementár-ních cílů). Často může být geometrie složeného cíle natolik kompli-kovaná, že je výhodnější ke stanovení jejich odrazivých vlastností provést empirická měření.
strana 6
MRAR-P2: Radiolokační cíle (4/30)
Rozlišovací buňka RB radaru (Resolution Cell) definuje v daném časovém okamžiku prostor, v němž nelze rozlišit dva separátní cíle při vyhodnocení odraženého radarového signálu získáme. Výstupem měření je jediný cíl.
Radarová rozlišovací buňka
strana 7
MRAR-P2: Radiolokační cíle (5/30)
Délka strany RB v hori-zontálním směru:
dBHRB rd 3
2sin2 3dB
HRB rd
dBdB
VRB rrd 33
2sin2
Pro malý úhel -3dB apro-ximujeme:
Délka strany RB ve vertikálním směru:
Příčná plocha RB:
dBdBVRBHRBRBcross rddS 332
strana 8
MRAR-P2: Radiolokační cíle (6/30)
Příklad 1:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Vypočtěte délky stran a příčnou plochu rozlišovací buňky a pro radar se šířkou anténního svazku 1,5° ve vertikální rovině a 2,5° v horizontání rovině ve vzdálenosti 50 km a 150 km od vysílací antény radaru. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Pro využití aproximujících vztahů převedeme úhlové šířky svazků na radiány:
km18,20436,050350 dBHRB rd
rad0436,05.23 dB rad0262,05.13 dB
km31,10262,050350 dBVRB rd km93,30262,01503150 dBVRB rd
km54,60436,01503150 dBHRB rd
2505050 km86,231,118,2 VRBHRBRB ddS 2
150150150 km7,2593,354,6 VRBHRBRB ddS
Délky stran RB:
Příčné plochy RB:
strana 9
MRAR-P2: Radiolokační cíle (7/30)
Rozlišení v dálce – rozlišení dvou cílů, které leží na společné přímce radar - cíl
2p
RRB
cd
ppr cd Délka ozářeného úseku v dálce:
Ozářený objem: dBdBpil rcV 332
Rozlišovací schopnost v dálce:
Animace rozlišení dvou cílů
strana 10
MRAR-P2: Radiolokační cíle (8/30)
RCS je závislý na materiálu cíle, rozměrech vůči vlnové délce a směru příchodu ozařující elektro-magnetické vlny => směrové charakteristiky sekundárního záření (3D, 2D – H/V nebo směr obvyklý)
tarrefP ,kde |tar| je hustota výkonu elmag. energie v prostoru cíle a je odrazná plocha cíle RCS (Radar Cross Section) v m2 nebo dBm2 (10 log – spjato s výkonem)
Odražený výkon od cíle je závislý na směru příchodu ozařující elektromagnetické vlny:
Typický RCS bodového cíle
strana 11
MRAR-P2: Radiolokační cíle (9/30)
Odrazná plocha je náhodná veličina, hledáme její charakteristiky:
Střední hodnota
Rozložení hustoty pravděpodobnosti PDF
Dva body – „dumbbell“ konfigurace
cRtfjcRtfj AeAets /22/22 21,
sin2cos2,2
2 DAets cR
tfj
sin2cos2 DKe Ilustrace k odvození RCS
u dvoubodového cíle
strana 12
MRAR-P2: Radiolokační cíle (10/30)
Př. „Dva body“ – dumbbell konfigurace RCS = 1 m, D = 2
Funkce pro Matlab: RCSDumbBell.m
Příklad výsledné RCS u dvoubodového cíle
strana 13
MRAR-P2: Radiolokační cíle (11/30)
Mnoho bodů rovnoměrně rozdělených v prostoru = přiblížení k reálnému cíli
/4
1
nRjN
nen eB
2
/4
1
21 nRjN
nen e
B
/4
1
2/22
1
, nn RjN
nen
ftjcRtfjN
nen eeAeAts
Součtový signál na přijímači radaru:
Amplituda součtového signálu:
Celková RCS:
Simulace v Matlabu:
Funkce pro Matlab: RCSMultPointsUD.m
Ilustrace k odvození RCS obecného cíle
Příklad výsledné RCS u vícebodového cíle vč. histogramu amplitud
strana 14
MRAR-P2: Radiolokační cíle (12/30)
Odrazná plocha elementárních cílů
Půlvlnný dipól 42 cos86,0 e
22;0(
42 11,0cos86,0 kfe E
Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu :
Koule
Pro poloměr ku vlnové délce r/< 0,13 (difrakce):
24
29 rre
Ilustrace k odvození RCS dipólu
strana 15
MRAR-P2: Radiolokační cíle (13/30)
2re
2
12
2
43
sin4
sin4cos16
r
rJr
e
Pro vztah poměru ku vlnové délce r/> 1 (odpovídá obsahu průmětu do roviny vlny - apertuře):
Plochý disk (r/> 1)
2
4316 r
e
Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu :
Ilustrace k odvození RCS plochého kruhového disku
strana 16
MRAR-P2: Radiolokační cíle (14/30)
2
22
4
sin2
sin2sincos4
r
rr
e
Čtvercová plocha (r/> 1)
2
44 r
e
Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu :
Ilustrace k odvození RCS plochého čtvercového disku
strana 17
MRAR-P2: Radiolokační cíle (15/30)
2
22
sin2
sin2sincos2
v
vrv
e
Válec (r/> 1, v/> 1)
22 rve
Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu :
Aplikace při určování odrazivých vlastností srážek
Ilustrace k odvození RCS válce
Typické tvary padajících dešťových kapek
strana 18
MRAR-P2: Radiolokační cíle (16/30)
Trojúhelníkový koutový odražeč
2
4
max 34
a
e
2
4
max 12
ae
Čtvercový koutový odražeč
kde a je délka hrany odražeče.
Aplikace pro dosažení minima celkové efektivní odrazné plochy cíle - Stealth
Experimentální koutový odražeč
B-2: „stealth“ = „tajnost“
strana 19
MRAR-P2: Radiolokační cíle (17/30)
Složené cíle prvního typu s geometrickými i úhlovými rozměry obvykle mnohem menšími než jsou odpovídající rozlišovací schopnosti radaru v úhlech a v dálce - bodové, např. o letadlo ve velké vzdálenosti od radaru.
Odrazná plocha u bodových cílů
závisí na:
směru dopadající rovinné vlny
polarizaci dopadající rovinné vlny
materiálu cíle (typ materiálu, drsnost, složení u kompozitů)
vlnové délce
strana 20
MRAR-P2: Radiolokační cíle (18/30)
Odrazná plocha je fiktivní plochou S, kterou pokládáme za isotropní a nepohltivou a která po umístění do místa cíle vyvolá v místě antény radaru stejnou intenzitu pole jakou vyvolává skutečný cíl, je tedy mírou výkonu odraženého cílem ve směru k radaru
Efektivní odrazná plocha je průměrem (střední hodnota) přes měření ve všech směrech natočení cíle vůči radaru nebo směrech obvyklých (např. horizontální rotace nebo pohled zespodu pod určitým „typickým“ úhlem)
RCS bombardéru B26 na 3 GHz
strana 21
MRAR-P2: Radiolokační cíle (19/30)
Sproj je projekce cíle do roviny ozařující elmag. vlny
R je materiálová odrazivost specifikovaná jako poměr výkonu odrážejícího se ku vstupujícímu do cíle
D specifikuje (sekundární) směrovost cíle
DRSRCS proj
Odrazná plocha u obecného bodového cíle:
Ilustrace k určení RCS u obecného bodového cíle
strana 22
MRAR-P2: Radiolokační cíle (20/30)
Hustota rozdělení pravděpodobnosti RCS běžných bodových cílů:
Jeden RX systém (monostatický radar)
Diverzitní RX systém (bistatický radar)
Exponenciální PDF Chí2 PDF
strana 23
MRAR-P2: Radiolokační cíle (21/30)
Výkonová spektrální hustota resp. autokorelační funkce – gaussovské rozdělení, šířka spektra B => korelační doba cíle
Bcor1
mcor T
Ve vztahu k opakovací periodě nebo celkové době měření (ozáření) cíle pak definujeme cíle s pomalou a rychlou fluktuací (např. velké letadlo má pomalou fluktuaci a exp. rozdělení odrazné plochy, malé letadlo má rychlou fluktuaci a exp. rozdělení odrazné plochy)
Do jednoho směru je prováděno několik měření (cca 50 – 100), vzhle-dem k pohybu cíle (letadla) lze jako tzv. efektivní RCS uvažovat střední hodnotu RCS.
Cíle s pomalou fluktuací:
kde TM je celková doba měření ve směru cíle:repm TMT
strana 24
MRAR-P2: Radiolokační cíle (22/30)
Swerlingova kategorizace bodových cílů
Pohyblivé cíle obvykle mají exponenciální rozdělení – hluboké fluktuace až 30 dB
Cíle s rychlou fluktuací:repcor T mcor Tnebo alespoň
kde Trep je opakovací perioda měření a M je počet měření v jednom směru
strana 25
MRAR-P2: Radiolokační cíle (23/30)
Přibližné efektivní odrazné plochy složených cílů prvního typu
Druh cíle av [m2] avdB [dBm2]
Velké dopravní letadlo 100 +20
Automobil 100 +20
Velký bombardér 50 +17
Výletní parník 10 +10
Velký stíhací letoun 6 +8
Malý stíhací letoun 4 +6
Jízdní kolo 2 +3
Člověk 1 0
Jednomístný letoun 1 0
Otevřený člun 0,1 -10
Konvenční okřídlená střela 0,1 -10
Velký pták 0,01 -20
Menší pták 0,001 -30
Velký hmyz 0,0001 -40
Malý hmyz 0,00001 -50
strana 26
MRAR-P2: Radiolokační cíle (24/30)
Složené cíle druhého typu s rozměry značně převyšující příslušné rozlišovací schopnosti RLS - rozptýlené. Mohou být takové, že emitují odraz všemi elementy svého objemu a pak je nazýváme objemové (mrak, déšť), nebo jsou zdrojem odrazu pouze svým povrchem a pak je nazýváme plošné (vodní hladina, zemský povrch atd.).
Mrak – příklad objemového cíle Objemové cíle jsou typicky
využity v meteoradiolokaci
strana 27
MRAR-P2: Radiolokační cíle (25/30)
Složené cíle druhého typu
Odražený signál od všech elementů cíle
N
iib stts
1
iji ess 1
N
i
j iess1
1
Elementy cíle jsou stejné (stejně velké)
Amplitudy jsou přibližně stejné, fáze různé
strana 28
MRAR-P2: Radiolokační cíle (26/30)
Složené cíle druhého typu objemové
VVnSNSNsP
S efeftartar
refefD
011
21
σ0 je reflektivita (deště) v m2/m3 = střední odrazná plocha 1 m3 (deště)
S rostoucí vzdáleností a vlivem útlumu v hydrometeorech klesá hustota elmag. pole, navíc se mění současně ozařovaný objem (rozlišovací buňka) – pro určení reflektivity nutno korigovat
strana 29
MRAR-P2: Radiolokační cíle (27/30)
Složené cíle druhého typu plošné
Předpokládejme, že se prostorem šíří sférická vlna s tloušťkou "kulové vrstvy" c, kde c je rychlost šíření elmag. vln a je délka impulsu radaru.
Geometrie při ozařování plošného cíle impulsním radarem
strana 30
MRAR-P2: Radiolokační cíle (28/30)
Uvážíme-li časové zpoždění odražených signálů od vzdálených částí povrchu zjistíme, že lineární rozměr horizontální dálky odrážejícího povrchu je:
cos2c
cos2
DcS
Lineární rozměr povrchu v horizontální rovině v mezích úhlu rozevření je přibližně D. Geometrická velikost povrchu, která odráží energii v současných okamžicích je tedy rovna výrazu:
Při zjišťování efektivní odrazné plochy je třeba uvážit vlastnosti odrazného povrchu. Nalezenou hodnotu geometrické plochy rozptylu vynásobíme výrazem Ksin, kde K je koeficient odrazu a je úhel mezi paprskem a vodorovnou rovinou. Pro efekt. odraznou
strana 31
MRAR-P2: Radiolokační cíle (29/30)
cos2
sin DcKS
2DcKS
Pro malé úhly platí tg() a vztah lze zjednodušit:
Pro malé úhly platí také H/D a výraz opět zjednodušíme:
2HcKS
Čím bude délka impulsu kratší, tím větší bude rozlišení jednotlivých drobných objektů na zemském povrchu.
plochu získáme rovnici:
strana 32
MRAR-P2: Radiolokační cíle (30/30)
Složené cíle druhého typu plošné – přibližný koeficient odrazu
Typ povrchuPřibližný koeficient odrazu
10log K [dB]Zemědělská půda -15
Step -20
Zalesněný terén -10
Horstvo -5
Mořská hladina (3 GHz) -25
Mořská hladina (10 GHz) -19
Plošné cíle je nutné velmi často eliminovat jako clutter (závoj)
strana 33
Pro odvození radiolokační rovnice předpokládáme následující idealizující podmínky:
mezi RLS a cílem nejsou žádné objekty
elmag. energie se do prostoru cíle dostává po jediné trajektorii (bez odrazů)
prostředí mezi RLS a cílem je homogenní
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (1/19)
strana 34
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (2/19)
Scénář pro odvození radiolokační rovnice
Ilustrace k odvození radiolokační rovnice
strana 35
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (3/19)
Hustota vyzářené energie v prostoru cíle:
2Atx
'
2tx
tar 44 rGP
rEIRP tx
dtxftx
txtx LL
PP
'
Výkon na svorkách vysílací antény:
EIRPtx je efektivní vyzářený výkon vysílací části radaru
strana 36
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (4/19)
22 44 rP
rtartarav
rx
Hustota odražené energie v oblasti přijímací antény radaru:
Cíl s efektivní odraznou plochou av je při ozáření elmag. energií RLS zdrojem sekundárního záření o výkonu:
avtartarP
Parametr definuje celkové polarizační ztráty, 1
strana 37
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (5/19)
Výkon na vstupu přijímače:
Efektivní plocha antény SAerx je dána geometrickou plochou apertury antény násobenou účinností (cca 0,5 – 0,7):
2
4 ArxArxAerx dS
frxdrx
rxrx LL
PP
'
Výkon odraženého signálu na výstupu antény s efektivní plochou SARX je:
Aerxrxrx SP
strana 38
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (6/19)
Efektivní plocha antény SAe je se ziskem antény svázána vztahem:
2
4
AeA SG
Pokud jsou antény vysílače a přijímače radaru směrována optimálně na cíl pak pro přijímaný výkon bude platit:
ftxdtxfrxdrx
AerxavAtxtx
frxdrx
Aerxavtar
frxdrx
Aerxrxrx
LLLLrSGP
LLrS
LLS
P
42
2'
4
4
strana 39
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (7/19)
Jestliže za efektivní plochu přijímací antény dosadíme zisk, pak přijímaný výkon bude:
frxdrxftxdtx
avAradtxrx LLLLr
GPP
43
22'
4
Pro společnou vysílací a přijímací anténu:
frxdrxftxdtx
ArxavAtxtxrx LLLLr
GGPP
43
2'
4
= = radiolokační rovniceradiolokační rovnice
strana 40
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (8/19)
Známe-li požadovaný minimální výkon Prxmin na vstupu přijímače pro příslušnou pravděpodobnost detekce, mužeme určit maximální dosah radaru:
4
23
2
'min
max 4
avAradfrxdrxftxdtxrx
tx GLLLLP
Pr
strana 41
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (9/19)
Radiolokační rovnice v log. jednotkách:
4 101010
2
3
2
1010101010
10
max 1010104
1010101010
10'
min
avArad
drxfrxdtxftxrx
txG
LLLLP
P
r
40332
402
max
)()()()('
)min()()(
)()()()('
)min()()(
10
1015,0
dBsmavdBdBdrxdBfrxdBdtxdBftxdBWrxdBiAraddBWtx
dBsmavdBdBdrxdBfrxdBdtxdBftxdBWrxdBiAraddBWtx
LLLLPGP
LLLLPGP
r
4
23
2
'min
max 4
avAradfrxdrxftxdtxrx
tx GLLLLP
Pr
strana 42
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (10/19)
POZNÁMKA – fyzika šíření:
4
2
AizoS
V případě izotropního všesměrového zářiče pro danou vlnovou délku je jeho plocha apertury:
V určité vzdálenosti r od izotropního zářiče – bodu bude výkon jím vyzářený prochází plochou:
24 rS
Hustota výkonu pak v této vzdálenosti bude:
24 rP
SP TXTX
strana 43
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (11/19)
Z poměru výkonu přijímač vs. vysílač pak učíme de facto ztráty šířením volným prostorem FSPL (Free Space Power Losses):
Pokud do této vzdálenosti umístíme přijímací izotropická anténa s aperturou 2/ 4, pak bude na jejích svorkách výkon:
FSPL v pomyslné vzdálenosti budou (prakticky to bude near field):
222
2 444 rP
rPSP TX
TXAizoRX
r
PPFSPLr
PPFSPL
RX
TX
RX
TX 4log20log10]dB[nebo4 2
dB224log204log20log10]dB[
RX
TX
PPFSPL
strana 44
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (12/19)
Pomocná tabulka pro FSPL pro jednocestné šíření:
Při zdvojnásobení vzdálenosti vzrostou FSPL o 6 dB, při zdesetinásobení vzdálenosti pak o 20 dB (pouze v jednom směru, u při-márního radaru s dvousměrnou cestou to pak bude o 12 dB, resp. 40 dB)
Tedy např. pro 6 GHz (5 cm) bude FSPL na 1 km 108 dB
Délka rádiové trasy FSPL [dB] 22
2 28
4 34
10 42
20 48
100 62
1000 82
10000 102
strana 45
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (13/19)
Příklad 2:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Pulsní radar pracuje na vlnové délce 10 cm s výkonem v impulsu Ptx = 50 kW. Prahová
citlivost přijímače je Prxmin = 10-12 W. Radar má společnou anténu - parabolu o průměru
1,8 m s účinností 0,6, která je napájena napáječi se útlumem 1dB. Duplexer má v obou směrech rovněž útlum 1dB. Jaký je dosah radaru pro stíhací letouny se střední hodnotou av = 5 m2, jsou-li polarizační ztráty nulové.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------dBi8,321919
1,04
48,16,04
4 2
2
2
2
dGArad
26,11010 101
10)(
dBdtxL
rtxdrxftxdtx LLLL
strana 46
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (14/19)
km37159191
41,0
26,126,126,126,1101050
4
42
3
2
12
3
42
3
2
'min
max
avAradfrxdrxftxdtxrx
tx GLLLLP
Pr
Příklad 3:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Pulsní radar pracuje na vlnové délce 10 cm s výkonem v impulsu Ptx = 47 dBW.
Prahová citlivost přijímače je Prxmin = -90 dBm. RLS má společnou anténu - parabolu se ziskem 32,8 dBi, která je napájena napaječi se útlumem 1dB. Duplexer má v obou směrech rovněž útlum 1dB. Jaký je dosah radaru pro stíhací letouny se minimální střední hodnotou av = 7 dBm2, jsou-li polarizační ztráty nulové.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
strana 47
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (15/19)
km371,0101,010
10
406,202
4033701111))3090((8,32247
40332
max
)()()()('
)min()()(
dBsmavdBdBdrxdBfrxdBdtxdBftxdBWrxdBiAraddBWtx LLLLPGP
r
24 rLLGPP
ftxdtx
Atxtxavtaravtar
Sekundární radar Výkon sekundárního záření od pasivního cíle o av :
Příklad 4:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Vypočtěte střední výkon sekundárního záření cíle pro stíhací letoun z předchozího příkladu.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
mW6,17537000426,126,1
191910502
3
tarP
strana 48
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (16/19)
Výkon sekundárního záření je velmi malý. Pokud bude vysílače odpovídače odevzdávat výkon o několik řádů vyšší, bude vyšší i dosah soustavy.
Pro první cyklus práce soustavy, kdy přijímač odpovídače ve vzdálenosti r přijímá dotazovací signál, získáme rovnici:
22
'
4 rLLGGPP
frxdrx
retArxAtxrettxretrx
Pro druhý cyklus práce systému, kdy pozemní část systému přijí-má signál odpovídače analogicky platí:
22
4 rLLGGPP
ftxdtx
txAtxArxrettxrxret
strana 49
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (17/19)
a pro GAret = 1 (všesměrová anténa pro RX i TX) dostaneme výrazy:
22
4 rLLGPP
ftxdtx
txAtxtxrxret
22
'min
max 4retArx
frxdrxrx
txret GLLP
Pr
Dosah sekundárního radiolokátoru (určen cestou odpovídače, protože palubní odpovídač bude mít podstatně menší výkon než primární radar), pak je dosah dán:
22
'
4 rLLGPPfrxdrx
retArxtxretrx
strana 50
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (18/19)
Příklad 5:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Vypočtěte dosah sekundárního radiolokátoru s odpovídačem pro stíhací letoun v předchozím příkladu s výstupním výkonem odpovídače 10 W, vlnová délka retranslační trasy je 10 cm:----------------------------------------------------------------------------------------------------------
O řád více než dosah stejného radaru při pasivním cíli
km607
41,01919
26,126,11010
4
2
2
12
2
2
'min
max
retArx
frxdrxrx
txret GLLP
Pr
strana 51
MRAR-P2: Radiolokační rovnice (19/19)
Citlivost přijímače
Rozhodují šumové vlastnosti přijímače a antény spolu a potřebný poměr signál/šum pro detekci cíle s danou pravděpodobností Pd.
Efektivní výkon šumu na výstupu z antény v šířce pásma přizpůsobeného filtru:
Nrx
Srx
PP
NS
MFSNrx BkTP
MFSNrxrx BkTNSP
NSP
minmin
'min
strana 52
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (1/18)
Při praktickém návrhu RLS je nutno uvažovat následující vlivy šíření elektromagnetických vln:
vlastnosti šíření nad rovinným rozhraním dvou prostředí (zemský povrch - vzduch, nebo vodní hladina - vzduch)
vliv zakřivení zemského povrchu a refrakce vln v atmosféře
důsledky anomálie šíření – superrefrakce
útlum způsobený atmosférou
ohyb (difrakce) elektromagnetické vlny
strana 53
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (2/18)
Šíření elektromagnetických vln nad rovinným rozhraním
krrrrr ba121
Ve fázi (max):
V protifázi (min):
2
12121 krrrrr ba
Princip vícecestného šíření
strana 54
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (3/18)
Vliv interference se projevuje rozštěpením vyzařovacího diagramu v polohovém úhlu do samostatných laloků.
Důsledkem rozštěpení vyzařovacího diagramu antény RLS je nedostatečné pokrytí prostoru (směry s minimy) kolem RLS.
Tento efekt velmi ztěžuje zaměření nízkoletících cílů. Vyzařování směrem k rozhraní prostředí, tedy u přehledových RLS vzhledem k zemskému povrchu, nebo vodní hladině musí být co nejvíc potlačeno.
Účinnou metodou je umístění antény na vyvýšené místo, popřípadě na stožár.
strana 55
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (4/18)
Zakřivení zemského povrchu a refrakce vln v atmosféře
V troposféře – refrakce vlny (n > 1) – velká chyba v elevaci Charakteristiky atmosférických vrstev
strana 56
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (5/18)
Zakřivení zemského povrchu a refrakce vln v atmosféře
Dosah přímé viditelnosti je dán vztahem:
2122
222
12010 2 hhRRhRRhRrrr zzzzz
pro Rz = 6378 km dostaneme:
mhmhkmr 2157,3
Geometrie pro odvození přímé viditelnosti na zakřivené ploše
strana 57
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (6/18)
Vlivem změn tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu s výškou se mění velikost dielektrické konstanty troposféry.
S přibývající výškou se zvyšuje rychlost šíření elmag. vln, čímž dochází k zakřivení trajektorie šíření směrem k zemskému povrchu. Tento jev se označuje termínem refrakce a prakticky zvyšuje dosah RLS asi o 18% proti předchozím výpočtům:
mhmhkmr 212,4
strana 58
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (7/18)
Příklad 6:---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Přehledový impulsní radar s = 3 cm je umístěn na oceánské lodi se společnou anténou pro příjem i vysílání se ziskem 36 dBi ve výšce 55 m nad hladinou. Prahová citlivost přijímače je 1 pW. Úkolem radaru je zjišťovat objekty s efektivní odraznou plochou nad 50 m2 do vzdálenosti přímé viditelnosti antény RLS. Navrhněte minimální impulsní výkon radaru bez uvažování troposférické refrakce, ztrát napáječů a polarizačních ztrát.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Přímá viditelnost antény RLS s h1 = 55 m (h2 = 0 m):
kmmhmhkmr 476,265557,357,3 21
Položíme rmax = r, ve větší vzdálenosti budou již cíle za obzorem, a vyjádříme potřebný výkon impulsu z radiolokační rovnice:
cTARRLS
RXTX SG
PrP
22min
4max
3
min4
strana 59
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (8/18)
39811010 1036
10 dBG
RLS
RLS
G
kWWPTX 4,11367501398103,0
1026476422
1243
min
Zisk antény je:
Minimální požadovaný výkon v pulsu je:
strana 60
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (9/18)
Superrefrakce
Jev superrefrakce je podmíněn vznikem tzv. „troposférického vlnovodu (ductu)“ s velmi malým útlumem šířící se energie.
Projevuje se mnohonásobným zvětšením dosahu proti dosahu stanovenému podle radiolokační rovnice, pak na vstup radaru přicházejí odrazy i od velmi vzdálených cílů a míchají se s cíly v pozorovaném prostoru tzv. „andělé“.
Ilustrace vzniku troposférických vlnovodů
strana 61
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (10/18)
Vliv útlumu v atmosféře
Atmosféra, ve které se šíření elmag. vln uskutečňuje není bezeztrátová.
Pouze v případě radaru s 10 cm je útlum zanedbatelný. Čím je použita vyšší pracovní frekvence radaru, tím se atmosférický útlum více projevuje. Útlum je způsobován pohlcováním energie záření kyslíkovými molekulami a vodními parami (mikrovlnná atmosferická okna), nebo pohlcováním a rozptylem energie na hydrometeorech (mlha, mraky, krupobití, déšť).
strana 62
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (11/18)
a) Vliv kyslíku (molekul) v atmosféře – při normálním atmosfé-rickém tlaku (max. útlum na 22 GHz)
b) Vliv vodních par (molekul) v atmosféře - relativní vlhkost vzduchu 66% při teplotě + 18°C - přibližně přímo úměrný absolutní vlhkosti (max. útlum na 60 GHz).
Specifický molekulární útlum v atmosféře v závislosti na frekvenci
strana 63
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (12/18)
a) Vliv deště v atmosféře – pro intenzity:
1- 0,25 mm/h (mírný déšť)2- 1 mm/h (střední déšť)3- 4 mm/h (silný déšť)4- 16 mm/h (hustý déšť)
b) Vliv mlhy.
Specifický útlum hydrometeory v atmosféře v závislosti na frekvenci
strana 64
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (13/18)
Označíme-li činitel pohlcení v atmosféře symbolem α [dB/km] v jednom směru, pak pro cestu energie k cíli a zpět platí, že se výkon P0 po průchodu dráhou 2·r zmenší na hodnotu P = P0·e-0,46·r. Tím se dosah radaru r0max sníží na rmax, pak platí:
max115,0
max
max0 rerr
Toto platí pouze pro úsek husté atmosféry nebo úsek s hydrometeory. U větších vzdáleností již část signálu prochází prostředím mimo tyto oblasti a útlum již neroste. Pro krátké vzdálenosti lze vztah plně využít.
Pro vzdálenost nad 100 km již útlum způsobený hydrometeory neroste. Jeho hodnota také klesá s rostoucím elevačním úhlem.
strana 65
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (14/18)
Příklad 7:---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vypočtěte jaký je dosah 1 cm radaru za ideálních povětrnostních podmínek a při dešti 0,25 mm/h, je-li dosah tohoto radiolokátoru r16max = 4 km při hustém dešti 16 mm/h.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Nejprve vyjádříme maximální dosah RLS za ideálních podmínek, přičemž z grafu na obrázku odečteme pro hustý déšť 16 = 4 dB/km :
kme
err r
2,254 44115,0
115,0max16max0
max1616
strana 66
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (15/18)
Pro intenzitu srážek 0,25 mm/h určíme r025max řešením transcendentní rovnice:
0max0115,0
max025max025025 rer r
Pro koeficient útlumu z grafu má hodnotu 0,05 dB/km.
První i druhá derivace funkce získané z levé strany rovnice bude vždy kladná a nabízí se použít numerickou Newtonovu metodu tečen. Pro počáteční hodnotu zvolíme r0max, neboť zcela jistě bude hledané maximum dosahu pro déšť 0,25 mm/h menší. Pro Newtonovu metodu platí iterační vztah :
nxfnxfnxnx '1
strana 67
Derivace je :
max025025115,0max025025115,01 rer
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (16/18)
n r025max(n) f(r025max(n)) f‘ (r025max(n)) - f(r025max(n))/ f‘(r025max(n))
0 25,2 3,9293 1,3234 -2,9690
1 22,23 0,0611 1,2816 -0,0477
2 22,1823 0
Dosah radaru pro intenzitu srážek 0,25 mm/h je 22,2 km.
strana 68
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (17/18)
Dosah bude o něco větší, protože jsme nad 100 km a část energie bude procházet nad dešťovou oblačností .
Z uvedeného příkladu je patrný značný vliv povětrnostních podmínek na dosah RLS, zejména při použití velmi vysokých frekvencí. Při návrhu parametrů RLS je třeba vždy zvažovat místní podmínky (pravděpodobnostní charakteristiky srážek, sněžení – průměrná doba trvání dané hustoty deště za rok) s ohledem na pravděpodobnost zjištění cíle s danou efektivní odraznou plochou ve stanovené vzdálenosti.
Jiné normy pro Evropu, jiné pro Afriku atd.
strana 69
MRAR-P2: Vliv šíření elmag. vln (18/18)
Difrakce elektromagnetické vlny
Difrakci elektromagnetické vlny způsobují překážky. V případě zemské roviny se projeví kulový povrch Země. Difrakční útlum roste s kmitočtem a vzdáleností cíle. Od určité vzdálenosti dále neroste. Je výrazně závislý na elevačním úhlu anténního svazku, uplatňuje se jen do 5°.
strana 70
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (1/8)
Moderní RLS jsou vybaveny systémy pro prohledávání určitého prostoru a pro současné určování a vyhodnocování několika souřadnic cíle (šikmé dálky, úhlových souřadnic, případně výšky cíle). Pro tyto účely je třeba vytvořit speciální anténní charakteristiky a uzpůsobit anténní systém tak, aby mohl vykonávat i značně složité pohyby.
Snímání prostoru dělíme na dvě skupiny:
JEDNODUCHÉ SLOŽENÉ
strana 71
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (2/8)
Jednoduché snímání prostoru
přehledové
sektorové
kuželové
Snímání přehledové, příp. sektorové
Snímání kuželové
strana 72
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (3/8)
Složené snímání prostoru
šroubovicové (spirálové)
pilové (řádkové)
Příklady složených snímání 3D prostoru
strana 73
Určení souřadnic cíle C v prostoru
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (4/8)
r = šikmá (radiální) dálka
= azimut ()
= elevace () (polohový úhel)
Ilustrace k definici souřadnic cíle v prostoru
strana 74
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (5/8)
Pro propátrání šikmé dálky rmax je zapotřebí doba:
crtr
max2
Za tuto dobu získáme informace o všech cílech umístěných ve směru svazku ve vzdálenosti od 0 do rmax km. Pro délku impulsu p je největší
rozlišitelný počet jednotlivých cílů pro zmíněný případ nepohyblivého svazku za jednu opakovací periodu (doba nutná k propátrání největší šikmé dálky rmax rovné tr):
pp
rep
p
r
crTtn
max1
2
strana 75
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (6/8)
Počet elementů prostorového úhlu , které je třeba postupně propátrat
svazkem s prostorovým úhlem je :
N
Ilustrace k určení doby propátrání u prostorového snímání
strana 76
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (7/8)
Pro propátrání každého elementu potřebujeme měřící dobu Tm. K propátrání celého prostoru s prostorovým úhlem potřebujeme čas:
crMTNt mS
max2
Příklad 8:---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radar se svazkem o prostorovém úhlu = 1° musí propátrávat sektor zabírající v azimutu úhel 40° a v elevaci úhel 20°. Maximální dosah radaru je rmax = 500 km, M = 100. Určete čas nutný k propátrání daného prostoru. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Prostorový úhel, který musí být propátrán je = 20.40 = 800°. Pro potřebný čas k propátrání platí:
strana 77
MRAR-P2: Metody snímání prostoru (8/8)
.min5,4267103005001002
18002
3max
sc
rMtS
Za tuto dobu letadlo letící rychlostí 800 km/hod urazí cca 60 km. Z uvedeného vyplývá, že návrh radaru pro rychlé pohyblivé cíle je z hlediska času propátrání daného prostoru velmi kritický.
strana 78
Děkuji za vaši pozornostMeteoradary v ČR
Praha, Brdy Skalky, Drah. vrch.
Recommended