Влияние земли и атмосферы на дальность действия рлс

В предыдущих вопросах были рассмотрены факторы, определяющие дальность радиолокации в свободном пространстве. Однако реальные условия распространения радиоволн вследствие наличия атмосферы и земли отличаются от условий распространения в свободном пространстве, что, естественно, сказывается и на дальность обнаружения РЛС Д_max.

А. Влияние земли на дальность действия РЛС

Влияние земли проявляется двояко.

Во-первых, вследствие отражения радиоволн от земной поверхности изменяется форма диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Во-сторых, из-за кривизны земной поверхности Д_max ограничивается расстоянием прямой видимости Д_пр (см. 2-й учебный вопрос).

Отражение радиоволн от земной поверхности сказывается, в основном, в диапазоне метровых волн, поскольку в этом диапазоне происходит преимущественно зеркальное отражение. При зеркальном отражении к цели приходит помимо прямого луча от станции также луч, отраженный от земли (рис. 2.3, слайд 15, 20).

Соотношение фаз прямого и отраженного от земли лучей зависит от того, под каким углом места e) по отношению к станции находится земля. Если прямая волна и волна, отраженная от цели, находятся в фазе, то дальность действия станции Д_max оказывается выше рассчитанной по формуле (1) (см. 1-й уч. вопрос), а если в противофазе, то Д_max уменьшается. При расчетах Д_max поосновному уравнению радиолокации ввести поправки (коэффициенты, учитывающие влияние земли.

С учетом отраженного от земли луча ДН антенны в вертикальной плоскости приобретает лепестковый характер (рис. 2.3, слайд 15, 20).

Число лепестков, их расположение и глубина провалов зависят от высоты подъема антенны над землей (в длинах волн, то есть от отношения l/h_a), поляризации волны и свойств почвы.

При идеально проводящей поверхности (гладкая морская поверхность) энергия отраженного от земли луча равна энергии прямого луча. Поэтому максимальные значения напряженности поля удваиваются, а минимальные падают до нуля. В других случаях электромагнитная энергия поглощается в земле и луч, отраженный от земли, имеет меньшую энергию, чем прямой луч (обычно Е_отр = (0,8...0,9)Е_пад). Поэтому в направлениях максимумов лепестков напряженность поля увеличивается менее, чем вдвое, а в направлениях минимумов спадает не до нуля. Лепестковым характером ДН обусловлены «провалы» при определенных углах места e, в результате чего на некоторых дальностях отсутствует отраженный от цели сигнал и слежение за ней затрудняется.

При использовании в РЛС радиоволн сантиметрового диапазона происходит диффузное отражение от земной поверхности. К цели приходит только прямой луч от РЛС, что исключает различие в напряженности поля для разных углов места и лепестковый характер ДН. Поэтому для РЛС сантиметрового диапазона основное уравнение радиолокации (1) (см 1-й уч. вопрос) не требует поправок, учитывающих отражение от земли.

Влияние кривизны земной поверхности на дальность действия РЛС было рассмотрено во втором учебном вопросе, она ограничивается дальностью прямой видимости Д_пр.

Б. Влияние атмосферы на дальность действия РЛС

Влияние атмосферы проявляется в:

- преломлении пути распространения радиоволн;

- поглощении и рассеянии энергии радиоволн на пути их распространения.

Рефракция и сверхрефракция

Радиоволна распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью только в однородной среде, в частности, в диэлектрике с постоянным коэффициентом диэлектрической проницаемости e. Между тем, по мере удаления от земли температура, влажность и давление воздуха меняются (уменьшаются), особенно в пределах первых десяти километров.

В результате, с увеличением высоты диэлектрическая проницаемость воздушного слоя уменьшается. Это приводит к преломлению пути распространения радиоволны различными слоями атмосферы по направлению к земле. Это явление получило название «явление рефракции».

Благодаря явлению рефракции дальность действия РЛС увеличивается и становится возможным наблюдение целей, находящихся ниже линии горизонта (Ц2) (рис. 2.4. слайд 16, 21).

Увеличение предельной дальности видимости Д_пр можно учесть изменением коэффициента формулы (3) (см 2-й уч. вопрос)

При так называемом стандартном состоянии атмосферы (нормальной рефракции величина R_з заменяется эквивалентным радиусом земли R_зэ = 8500 км.

R_зэ – эквивалентный радиус воображаемой земли, при котором электромагнитный луч под влиянием рефракции распространяется прямолинейно.

С учетом рефракции дальность прямой видимости Д_пр достаточно точно определяется по формуле

Для наземных РЛС, когда Н_ц >> h_a , то

.

При резком уменьшении влажности и значительной разности температур и давления воздуха (по высоте) ультракороткие радиоволны огибают земную поверхность вследствие многократного отражения от нижних слоев атмосферы (рис. 2.5, слайд 17, 22).

Нижний слой атмосферы совместно с поверхностью земли образует своеобразный волновод, направляющий поток электромагнитной энергии. Это явление получило название сверхрефракции (рис. 2.5 –5). При сверхрефракции дальность обнаружения достигает порядка 2500 км при дальности прямой видимости в несколько десятков километров.

Однако атмосферные условия, вызывающие сверхрефракцию, создаются нерегулярно и сравнительно редко, обычно в летние месяцы в субтропических и тропических поясах преимущественно над водными пространствами.

Поглощение и рассеяние энергии радиоволн в атмосфере возникает из-за наличия в ней кислорода и водяных паров, то есть атмосфера не радиопрозрачна. Вследствие поглощения и рассеяния энергия, переносимая радиоволной, непрерывно убывает вдоль пути ее распространения – происходит затухание радиоволны.

Различают два вида затухания:

- за счет резонансного поглощения и рассеяния электромагнитной энергии дипольными молекулами кислорода и паров воды;

- за счет поглощения и рассеяния электромагнитной энергии частицами конденсированной влаги (дождь, снег, облака, туман).

На длинных волнах явлениями поглощения и рассеяния можно пренебречь. На волнах l< 10 см эти явления приобретают существенное значение, потери энергии радиоволн возрастают по мере укорочения длины волны.

Резонансное поглощение и рассеяние приводит к тому, что на некоторых волнах Д_max РЛС резко уменьшается. Кислород вносит особенно значительное затухание на волнах l = 0,25 см и l = 0,5 см, водяные пары – на волнах l = 0,17 и 1,3 см (рис.2.6, слайд 18, 23).

Рассеяние энергии радиоволн мельчайшими капельками воды приводит к тому, что скопление капель (облака, дождь) создает отраженный сигнал, который можно наблюдать на экране индикатора РЛС. Так, отражение от облаков начинает появляться на l = 10 см и короче. На волнах l < 3 см облака, дождь, снег создают сильные помехи, иногда делающие невозможным наблюдение за целью.

Затухание радиоволн в атмосфере сказывается в основном на волнах короче 30 см. На l = 10 см уменьшается дальность действия РЛС по сравнению с расчетной не выше 3...4 % даже при неблагоприятных атмосферных условиях.