Статистические характеристики пассивных помех

Первичная радиоволна наводит на поверхности объектов токи проводимости или токи смещения, которые являются источником вторичного излучения. Вторичное излучение именуется отражением или рассеянием. Особый интерес для РЛС представляет отражение в обратном направлении (от объекта к РЛС). Большинство реальных объектов имеет сложный характер. Объекты можно разделить на сосредоточенные и распределенные. К сосредоточенным относятся объекты, размеры которых меньше элементов разрешения. Примером являются летательные аппараты.

В таблице 3 приведена простая классификация пассивных помех.

К распределенным целям относятся земная и водная поверхность, облака, дождь, снег, туман и другие, для которых соотношение размеров и элементов разрешения не выполняются. Они могут занимать несколько разрешаемых объемов. Вторичное излучение распределенных объектов маскирует полезные сигналы, но иногда находит и практическое использование, например, для обнаружения дождевых и снеговых облаков, навигации самолетов вдоль земной поверхности. Распределенные объекты подразделяются в свою очередь на объемно-распределенные объекты и поверхностно-распределенные.

Таблица 3

Причины Образова-ния помех	Характер помех
Поверхностно-распределенные	Объемно- Распреде-ленные	Сосредото-ченные	Прочие
Естествен-ные	Отражения: От земной поверхности; От морской поверхности	Отражения: от метеообра-зований	Отображения: от атмосферных неоднородностей и оптически ненаблюдаемых объектов	Помехи на n-ом ходе развертки
Искусст-венные		Отражения: От облаков, диполей и металлизи-рованных лент	Отражения от крупных наземных сооружений	Сигналы, отраженные от земных движущихся целей

Объемно-распределенные объекты (помехи от метеообразований, дипольные отражатели, ионизированные образования) обычно характеризуются удельной эффективной поверхностью (средним значением эффективной поверхности на единицу объема). Подобные объекты представляют собой совокупность большого числа элементарных частиц, распределенных случайным образом. Обычно (особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн) имеет практическое значение только некогерентное отражение, при котором сигналы от отдельных частиц можно рассматривать как независимые случайные величины, к которым применим закон сложения мощностей. Маскирующее действие объемно-распределенных объектов определяется величиной эффективной поверхности s _V, приходящейся на разрешаемый объем V :

( – удельная эффективная поверхность)

где – среднее значение эффективной поверхности одного элементарного излучателя;

n=N×V (N – число излучателей в единице объема).

Гидрометеоры в жидкой фазе (туман, дождь) состоят из капель сферической формы, размеры которых малы по сравнению с длиной волны l. Для этого случая удельная эффективная поверхность равна

, (4.43)

где d – диаметр капли.

На рис.4.70 изображен график зависимости удельной эффективной поверхности обратного вторичного излучения дождя различной интенсивности от длины волны. На рисунке обозначение Р соответствует различной интенсивности осадков.

Из-за отражений от метеообразований возникают помеховые сигналы с широким допплеровским спектром, что существенно затрудняет выделение на их фоне сигналов, отраженных от воздушных судов.

Вторичное излучение гидрометеоров в твердой форме (снег, град) значительно слабее, чем в жидкой.

От ионизированных образований (ионосферы, следов метеоров, полярных сияний)возможны три вида отражений:

1. Полное отражение, которое наблюдается при высокой концентрации электронов 10¹⁴×м ^{– 3} (электрон/м ³) и выше.

2. Частичное отражение, которое наблюдается в местах резкого пространственного изменения коэффициента преломления.

3. Некогерентное рассеяние на невзаимодействующих флюктуационных скоплениях электронов.

Выше перечисленные объекты относятся к естественным пассивным помехам. Из искусственных маскирующих пассивных помех наибольшее распространение получили дипольные противорадиолокационные отражатели. Они представляют собой пассивные полуволновые вибраторы, изготовленные из металлизированных бумажных лент, фольги или металлизированного стеклянного и капронового волокна. Ширина лент может быть от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, а диаметр волокна – от десятков до сотен микрон при толщине металлического покрытия порядка единиц микрон. Обычно дипольные отражатели собираются в пачки в таком количестве, чтобы каждая пачка по своим отражающим свойствам имитировала реальную цель. Число отражателей в пачке можно рассчитать по следующей формуле

, (4.44)

где – эффективная поверхность рассеяния пачки.

Для маскировки дипольные отражатели сбрасываются с борта самолета при помощи автоматов или выстреливаются пушками и ракетами. Для маскировки необходимо, чтобы средняя эффективная поверхность диполей, занимающих импульсный объем РЛС, превышала среднюю эффективную поверхность целей, находящихся в этом объеме.

Поверхностно-распределенные объекты. К ним относятся различные участки земной поверхности (лес, кустарник, пашня, водная поверхность, здания, постройки и т.д.). Они могут быть разделены на гладкие и шероховатые (неровные) поверхности.

Отражение от гладкой поверхности, размеры которой значительно превосходят длину волны l, оказывается зеркальным (рис.4.71, а). Отражение от шероховатых поверхностей с неровностями порядка длины волны является диффузионным (рис.4.71, б). При этом падающая волна рассеивается во всех направлениях и часть энергии возвращается к радиолокатору. Диаграмма направленности диффузного вторичного излучения имеет вид сферы, касательной к поверхности. Неровности поверхности по-разному сказываются на различных длинах волн и при различных углах облучения. Для РЛС (особенно сантиметрового диапазона волн) большую часть поверхности суши следует считать шероховатой. Зеркальное отражение наблюдается лишь в случаях гладких поверхностей (спокойная водная поверхность, бетонированные участки и т.д.). Шероховатая поверхность формирует обратное излучение, которое вызывает на экране индикаторов светящуюся область.

Дискретные пассивные помехи относятся к особой группе помех от оптически ненаблюдаемых объектов, которые создают на экранах локаторов засветки, подобные отметкам от воздушных судов, медленно перемещающихся в пространстве. Число таких отметок может достигать очень большого количества, а методы борьбы с пассивными помехами оказываются малоэффективными.

Физической природой, обусловливающих появление дискретных пассивных помех (ДПП) могут быть объекты биологического происхождения (стаи птиц, рои насекомых) и атмосферные образования (диэлектрические неоднородности, турбулентности и другие малоизученные образования). Области существования, плотность и интенсивность отражений зависят от географического положения, метеоусловий. Существует годовой и суточный периоды наблюдений. Число ДПП уменьшается с увеличением скорости ветра. Характер движения помех согласуется с направлением среднего ветра.

Возможные высоты наблюдения – 50-3500 м. Наибольшая концентрация ДПП на дальностях 35-70 км. Помехи наблюдаются над сушей и над морем. Время «жизни» объектов составляет от нескольких десятков секунд до десятков минут.

По своим геометрическим размерам помехи являются точечными, линейные размеры которых не превышают 100 м (наиболее вероятные размеры менее 50 м). Огибающая последовательности отраженных импульсов представляет собой гладкую одногорбовую кривую, соответствующую диаграмме направленности антенны (рис.4.72).

Сигналы обладают высокой когерентностью. Спектры сигналов в большинстве случаев одномодовые. Ширина спектра редко превышает 20-30 Гц (рис.4.73). Спектры ДПП сохраняют свой характер для различных длин волн.

Допплеровский спектр отличается разнообразием форм и характером изменения во времени. Характер изменения параметров спектра нестационарный.

Еще одним свойством ДПП является их высокая степень деполяризации. При отражении наблюдается деполяризационная компонента, которая на 10-12 дБ меньше основной. Для диэлектрических неоднородностей деполяризация отсутствует.

Таким образом, ДПП целеподобны (малоразмерный, малоскоростной объект), имеют высокую плотность пространственного распределения и существующие системы СДЦ не обеспечивают защиту от них.

Когерентность сигналов

Для измерения доплеровских частотных сдвигов у отраженных сигналов используются когерентные РЛС, характеризующиеся когерентностью излучаемых колебаний. Колебания называются когерентными в течение определенного интервала времени, если существует функциональная связь какой-либо части колебания с любой другой ее частью. Для двух гармонических колебаний когерентность достигается в случае, если разность фаз между ними на определенном интервале остается постоянной.

Импульсная последовательность радиоимпульсов характеризуется такими параметрами, как несущая частота, начальная фаза каждого импульса, форма, амплитуда и временное положение импульсов. В общем случае когерентной пачкой импульсов является такая последовательность импульсов, у которой зависимость между указанными параметрами известна. Все параметры импульсной последовательности, кроме соотношения начальных фаз, или известны, или могут быть измерены. Характер соотношения начальных фаз (случайный, неслучайный) определяет когерентность пачки импульсов. Когерентная пачка такая, в которой отсутствуют случайные изменения фазы от импульса к импульсу.

Если вторичные излучатели, имеющие разные скорости, раз­
решаются по дальности и угловым координатам, то независимо
от вида когерентности, задача селекции по скорости состоит в
выявлении временных (фазовых) или спектральных различий для
различных участков пространства.

Значительно сложнее задача селекции движущихся целей в том случае, когда цель и мешающие отражатели находятся в одном элементарном разрешаемом объеме. В этом случае необходимо улуч­шить условия обнаружения сигнала от цели на фоне пассивной помехи за счет имеющих место временных и спектральных отли­чий. Последнее достигается путем режекции (подавления) колебаний помехи и накопления сигнала.

Принцип режекции колебаний помехи состоит в том, что обес­печиваются условия ее подавления, например, спектральные со­ставляющие помехи вырезаются (рис.4.74). Накопление сигнала состоит в том, что спектральные составляющие сигнала обрабаты­ваются с целью наилучшего выделения сигнала на фоне шумов и пассивной помехи.

Все радиолокационные станции, имеющие систему СДЦ, разделяются по принципу работы на две группы: когерентные и некогерентные. Классификация РЛС изображена на рис. 4.75.

В когерентных РЛС для селекции движущихся целей применяется принцип сравнения по фазе отраженных сигналов с опорным.

При когерентности этих колебаний разность фаз сигналов, отраженных от неподвижных объектов, с течением времени меняться не будет, а разность сигналов, отраженных от движущихся целей, будет функцией времени (рис.4.76). Выявляя эти различия с помощью фазового детектора, можно отселектировать полезные сигналы движущихся целей.

Некогерентные РЛС используют для выделения движущихся объектов не фазовую структуру, а смещение огибающей сигнала за значительный промежуток времени либо побочные эффекты движения (изменение диаграммы обратного рассеяния, пропеллерная модуляция и др.).

Когерентные РЛС, в свою очередь, подразделяются на РЛС с внутренней и внешней когерентностью в зависимости от источника опорного сигнала.