Потери от колебаний

Потери от колебаний — это эффект, наблюдаемый в радиолокационных системах, когда целевой объект перемещается или меняет свою ориентацию относительно радиолокационной системы. Он был тщательно изучен в 1950-х годах Питером Сверлингом , который представил модели Сверлинга, позволяющие моделировать эффект. По этой причине его иногда называют потерей Сверлинга или подобными названиями.

Эффект возникает, когда физический размер цели находится в ключевом диапазоне значений относительно длины волны радиолокационного сигнала. Поскольку сигнал отражается от различных частей цели, они могут создавать помехи при возвращении в приемник радара. На любом расстоянии от станции это приведет к усилению или ослаблению сигнала по сравнению с базовым сигналом, рассчитанным по уравнению радара . По мере движения цели эти закономерности меняются. Это приводит к колебаниям силы сигнала и может привести к его полному исчезновению в определенные моменты времени.

Эффект можно уменьшить или устранить, работая более чем на одной частоте или используя методы модуляции, такие как сжатие импульса , которые изменяют частоту в течение периода импульса. В этих случаях маловероятно, что характер отражений от цели вызывает одинаковые разрушительные помехи на двух разных частотах.

Сверлинг смоделировал эти эффекты в знаменитой статье 1954 года, представленной во время работы в корпорации RAND . Модели Сверлинга учитывали вклад нескольких маленьких отражателей или множества маленьких отражателей и одного большого. Это дало возможность моделировать объекты реального мира, такие как самолеты, чтобы понять ожидаемые эффекты потерь от колебаний.

Потери от колебаний

Для основных расчетов мощности сигнала, возвращаемого данной целью, уравнение радиолокации моделирует цель как одну точку в пространстве с заданной радиолокационной площадью сечения (ЭПР). ЭПР сложно оценить, за исключением самых простых случаев, таких как перпендикулярная поверхность или сфера. До введения детального компьютерного моделирования RCS для объектов реального мира обычно измерялась, а не рассчитывалась на основе первых принципов.

Такие модели не учитывают реальные эффекты из-за отражения радиолокационного сигнала от нескольких точек цели. Если расстояние между этими точками порядка длины волны радиолокационного сигнала, отражения подвержены эффектам волновой интерференции , которые могут привести к усилению или ослаблению сигнала в зависимости от точной длины пути. По мере движения цели относительно радара эти расстояния изменяются и создают постоянно меняющийся сигнал. На дисплее радара это приводит к затуханию и затуханию сигнала, что затрудняет отслеживание цели. Этот эффект идентичен затуханию радиосигналов в движущемся автомобиле, вызванному многолучевым распространением .

Один из способов уменьшить или устранить этот эффект — иметь в радиолокационном сигнале две или более частоты. Если расстояния между частями самолета не распределены кратно обеим длинам волн, что можно устранить путем выбора подходящих частот, один из двух сигналов обычно не будет подвержен этому эффекту. Это использовалось в радаре AN/FPS-24 , например, . Многочастотные сигналы такого типа также обеспечивают перестройку частоты радиолокационной системы , что полезно для предотвращения помех от карцинотрона , поэтому большинство радаров 1960-х годов имели некоторую возможность избежать потерь из-за колебаний, даже если это не было явной целью конструкции.

Целевые модели Сверлинга

Целевые модели Сверлинга решают эти проблемы, моделируя цель как несколько отдельных излучателей и рассматривая результат с использованием распределения хи-квадрат :

$p(\sigma )={\frac {m}{\Gamma (m)\sigma _{av}}}\left({\frac {m\sigma }{\sigma _{av}}}\right)^{m-1}e^{-{\frac {m\sigma }{\sigma _{av}}}}I_{[0,\infty )}(\sigma )$

где $\sigma _{av}$ относится к среднему значению $\sigma$. Это не всегда легко определить, поскольку некоторые объекты чаще всего можно рассматривать под ограниченным диапазоном углов. Например, радиолокационная система морского базирования, скорее всего, будет видеть корабль сбоку, спереди и сзади, но никогда не сверху или снизу. $m$ — это степень свободы, деленная на 2. Степень свободы, используемая в функции плотности вероятности хи-квадрат, представляет собой положительное число, связанное с целевой моделью. Ценности $m$ Было обнаружено, что от 0,3 до 2 близко соответствуют определенным простым формам, таким как цилиндры или цилиндры с ребрами.

Поскольку отношение стандартного отклонения к среднему значению распределения хи-квадрат равно $m$^−1/2 , большие значения $m$ приведет к меньшим колебаниям. Если $m$ равно бесконечности, ЭПР цели не колеблется.

Разница между моделями во многом заключается в степенях свободы и общей компоновке мишени. Первые четыре из этих моделей рассматривались в оригинальной статье Сверлинга и называются моделями с I по IV. Модель V, также называемая моделью 0, представляет собой вырожденный случай с бесконечным числом степеней свободы.

Сверлинг я

Модель, в которой RCS изменяется в соответствии с функцией плотности вероятности хи-квадрат с двумя степенями свободы ( $m=1$). Это относится к цели, состоящей из множества независимых рассеивателей примерно одинаковой площади. Всего лишь полдюжины рассеивающих поверхностей могут дать такое распределение. Эта модель особенно полезна для рассмотрения форм самолетов.

Сверлинг I описывает случай, когда скорость цели мала по сравнению со временем наблюдения и, следовательно, ее можно считать неподвижной. Это относится к сканирующему радару, который пропускает свой сигнал мимо цели за относительно короткое время, часто порядка миллисекунд. Таким образом, движение цели видно только от сканирования к сканированию, а не внутри сканирования. В этом случае PDF-файл уменьшается до:

$p(\sigma )={\frac {1}{\sigma _{av}}}e^{-{\frac {\sigma }{\sigma _{av}}}}$

Сверлинг II

Аналогичен Swerling I, за исключением того, что значения RCS изменяются от импульса к импульсу, а не от сканирования к сканированию. Это относится к очень высокоскоростным целям или, чаще, к «смотрящим» радарам, таким как радары управления огнем или поисковые радары, которые привязаны к одной цели.

Сверлинг III

Модель, в которой RCS изменяется в соответствии с функцией плотности вероятности хи-квадрат с четырьмя степенями свободы ( $m=2$). В этом PDF-файле объект с одной большой поверхностью рассеивания аппроксимируется несколькими другими маленькими поверхностями рассеяния. Примеры включают некоторые вертолеты и винтовые самолеты, поскольку пропеллер/винт обеспечивает сильный постоянный сигнал. Модель III является аналогом I, учитывая случай, когда RCS постоянна в течение одного сканирования. PDF становится:

$p(\sigma )={\frac {4\sigma }{\sigma _{av}^{2}}}e^{-{\frac {2\sigma }{\sigma _{av}}}}$

Сверлинг IV

Аналогичен Swerling III, но RCS меняется от импульса к импульсу, а не от сканирования к сканированию.

Сверлинг V (также известный как Сверлинг 0)

Постоянное ЭПР, соответствующее бесконечным степеням свободы ( $m\to \infty$).

Ссылки

• Скольник М. Введение в радиолокационные системы: третье издание. МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 2001 г.
• Сверлинг, П. Вероятность обнаружения колеблющихся целей. Документ ASTIA, номер AD 80638. 17 марта 1954 г.
• «Потеря колебаний» . Учебное пособие по радару .