CC BY
96
Известия Тульского государственного университета Серия Естественные науки 2008. Выпуск 1. С. 145-150
УДК 621.396
ФИЗИКА
Д.В. Дудка
Тульский государственный университет
КОГЕРЕНТНОСТЬ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ ПРИ ПОИСКЕ
МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЦЕЛЕЙ
Аннотация. Рассматриваются требования к степени когерентности СВЧ генераторов приемопередатчиков РЛС при поиске малоразмерных высокоскоростных целей.
В работе [1] показано, что при радиолокационном поиске малоразмерных высокоскоростных целей, летящих на фоне местности и местных предметов, необходимо обеспечить очень большой коэффициент подавления пассивных помех. Там же рассмотрена специфика амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров селекции движущихся целей (СДЦ), которые могли бы подавить пассивные помехи от местности при условии абсолютной когерентности СВЧ генераторов радиолокационной станции (РЛС). Но, к сожалению, практическая когерентность генераторов не бывает абсолютной, а теоретическая степень подавления помех Пм не может зависеть только от характеристик фильтров. Поэтому остается вопрос о том, как зависит значение коэффициента подавления от степени когерентности СВЧ генераторов РЛС, и какие требования необходимо предъявить и их обеспечить для того, чтобы реализовать канал поиска малоразмерной цели.
На рис. 1 проиллюстрирована процедура подавления пассивных помех от местности. На вход линейного фильтра поступают полезный сигнал мощностью рц и помеха мощностью рм. Сигнал от малоразмерной цели проходит фильтр без искажений, а пассивная помеха подавляется в /раз по мощности. По первому варианту - до уровня сигнала, по второму - до уровня шумов приемного устройства РЛС на выходе фильтра, при котором становится незаметной на шумовом фоне
гт2 _ \Рц ¡Рм] вых /-|\
" " [РчШвх ' 1 ^
© Дудка Д.В., 2008
Подход к оценке требований к когерентности генераторов дан в работе [2]. Требуемые коэффициенты подавления пассивных помех П^ для рассматриваемой задачи просчитаны в работе [2]. Здесь он приведен к возможным типам РЛС непрерывного и импульсного излучения и дан в табл. 1. Остается выяснить, как снижается значение коэффициента подавления пассивных помех Пм в зависимости от степени когерентности СВЧ генераторов РЛС. В данной статье они пересчитаны к двум типам РЛС (непрерывного и импульсного излучения) и представлены в табл.1.
Физические процессы, происходящие при стохастическом изменении частоты генераторов СВЧ на интервале когерентности Т3, проиллюстрированы на рис. 2.
Рис. 1. Модель процесса подавления пассивных помех: д (/) , к2 (/)- спектр огибающей пассивной помехи от местности и амплитудно - частотная характеристика (АЧХ) фильтра соответственно, п2ш — спектральная плотность мощности теплового шума приемника
На рис. 2 показана структурная схема РЛС непрерывного излучения. Зондирующий сигнал с генератора СВЧ «Г» через циркулятор Ц поступает в антенну. Отраженный от цели сигнал направляется из антенны через тот же циркулятор на СВЧ фазовый детектор, куда подается часть мощности от генератора через фазовращатель ФВ. На выходе ФД образуются сигналы от движущихся объектов и местных предметов, например, расположенных на расстоянии II от РЛС, которые потом фильтруются фильтром.
Обозначим зондирующий сигнал в момент излучения в пространство и3 (£), сигнал, отраженный от дома им (£) и сигнал, поступающий в фазовый детектор от генератора СВЧ (опорное напряжение когерентного источника)
©
R
вых
( ДЦ *— УНЧ
Ф
* ФД
<7ф ► ^ Оц
Рис. 2. Иллюстрация влияния некогерентности СВЧ генератора
и кг {i + Т3). К моменту прихода отраженного сигнала от стабильного местного предмета, такого как дом, опорный задерживается на время Т3 = Щ-
и3 (£) = U3 sin (ojgt) ; им (£) = Uм sin (u3t) ;
икг (£) = UKg sin (a)3t + Ар) ; Ар = и;3 Т3; 11фд = UKgUM sin (A<¿>) .
По рис. 2 дом условно расположен на таком расстоянии, где Ар = 0. Тогда и Uфд = 0. Но так будет тогда, когда частота излучения и3 = 2тт/3 = const. То есть, будет теоретически абсолютная когерентность генератора на интервале Т3. Однако частота имеет стохастическое приращение за счет дробового эффекта носителей зарядов в транзисторах или вакуумных приборах. Тогда Ар станет стохастической величиной и будет характеризоваться фазовой дисперсией <7^ . По рис. 2 при единичном коэффициенте передачи фазового детектора фазовая дисперсия спровоцирует образование стохастического процесса на его выходе, соответствующего дисперсии пассивной помехи от местного предмета (дома). Это можно строго доказать линейным преобразованием случайных процессов. Думается, что для нас вполне достаточно логического пояснения
Для Ар = 90° 1/фд = Іїф.
Для малых Ар 1/фд = UKSUMAp = ІІфАр.
(2)
(3)
(4)
(5)
Стоит отметить, что дробовые шумы имеют широкий спектр. Поэтому шумовая составляющая пассивной помехи <Тцфд будет свободно проходить через фильтр СДЦ, образуя на его выходе ту же мощность шумовой составляющей. Если условиться, что основная мощность пассивной помехи от дома рм = иф, то коэффициент подавления /12 . обозначенный в равенстве (1), будет иметь конкретное выражение, при условии единичных коэффициентов передачи
7-т2 _ Рм,фд _ _1_ _ 1 .
м гг2 гг2 Ътп2Т ’
аифд ич> / 3
1 180 1 <7у, [рад] ^-—;стср [град] = [Гц] < • (6)
<м 11^ ¿ТГ 11м 1 з
Равенство (5) может быть базовым для прогноз - расчета требований к частотно - фазовым шумоподобным нестабильностям (некогерентностям) СВЧ генераторов на временном интервале Т3.
Рассмотрим полученный аппарат оценок применительно конкретных примеров табл. 1, данные которых заимствованы из статьи [2].
Таблица 1
Требуемые коэффициенты подавления РЛС непрерывного излучения
Участок местности 100x100 м: Требуемое подавление
пуля на фоне кустарника
106 5-Ю6
РЛС импульсного излучения
Длительность зондирующего радиоимпульса Отношение Ырм на Ю0 м участке требуемое подавление#^ по методу 2 требуемое подавление П2 М по методу 1
100 не 7 -ИГ6 о сд 7-Ю5
10 не 7 -ИГ5 1,4* 104 7-Ю4
Расчет требуемого уровня когерентности по показателю дисперсии или эффективного значения фазовых флюктуаций СВЧ генератора в конце дальности действия РЛС или эффективных значений уходов частот производим по формулам (5).
Практически измерение значения сг^ можно проводить на реальном радаре, структурная схема которого изображена на рис. 2. Изменяя фазу фазовращателя можно условно перемещать стабильный местный предмет как на нулевую фазу, так и па тг 2. И таким способом измерять реальное значение //д, и пересчитывать в размерности фаз или частот.
Как следует из табл. 2, для поиска малоразмерных высокоскоростных объектов типа летящей пули с помощью РЛС требуется обеспечить чрезвычайно высокую когерентность СВЧ генераторов. Так, для эффективной работы радара непрерывного излучения на волне 3 см (частота 1010 Гц) уже на дальности 100 м стохастические уходы фазы не должны превышать
0,018 град, или 0,076 Гц по частоте. Если дальность действия повышается, то требования к когерентности предъявляются еще более высокие. Для импульсных РЛС с длительностью импульса 100 не и короче требования облегчаются, но все равно остаются на очень высоком уровне. Целесообразно заметить, что сделанные выводы справедливы для фильтра с прямоугольной или почти прямоугольной АЧХ, хотя они, в принципе, относятся и к другим формам характеристик.
Таблица 2
Требуемый уровень когерентности
Коэффициент подавления П [раз] Допустимые флюктуации
фаз <7(р [град] частотdf [Гц]
R=100 м
106 0.018 0.076
105 0.18 0.76
104 1.8 7.6
R 500 м
106 0.0036 0.015
ю5 0.036 0.15
ю4 0.36 1.5
R=1000 м
106 0.0081 0.0076
105 0.081 0.076
104 0.81 0.76
Выводы:
1. Радиолокационный поиск малоразмерных целей типа летящей пули сопровождается сильными пассивными помехами от местности, для подавления которых требуется чрезвычайно высокая степень когерентности СВЧ генераторов.
2. Требования к когерентности снижаются в когерентно-импульсных РЛС, работающих короткими импульсами порядка 100 не и менее. Однако все равно остаются на очень высоком уровне.
Библиографический список
1. Толкалин Л.Н. Селекция высокоскоростных малоразмерных целей / Л.Н. Толкалин, Д.В. Дудка. // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. -2008. -Вып. 1. -С. 159-186.
2. Толкалин Л.Н. Радиолокация наземных целей / Л.Н. Толкалин. // Известия. ТулГУ. Сер. Радиотехника и радиооптика. - Тула: изд. ТулГУ, 2005. -Т. 7.
Поступило 21.02.2008
