"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 7, 2004

оглавление

дискуссия

Радиолокационная станция обзора летного поля   миллиметрового диапазона радиоволн

 Чеканов Р.Н. (ИРЭ РАН)

 

 

 

Аннотация. Приведены результаты исследований применения РЛС миллиметрового диапазона радиоволн при обзоре летного поля. Определены основные параметры РЛС высокого разрешения по дальности и угловым координатам (азимут и угол места), необходимого для безопасного самолетовождения в условиях плохой оптической видимости.

 

 

 

В связи с необходимостью повышения безопасности полетов в последние годы изучалась возможность применения миллиметровых РЛС для получения изображений лётного поля  и самолетов на нём [1-3]. При этом указывалось на ряд новых задач, возникающих при совершенствовании радиолокационных систем дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, предназначенных для обнаружения и сопровождения самолетов в таких условиях. К подобным задачам относятся:

повышение на порядок разрешающей способности по дальности и угловым координатам в условиях плохой оптической видимости;

повышение надежности обнаружения мелких объектов и препятствий;

уменьшение габаритов и веса приемопередающей аппаратуры и антенных устройств.

Однако переход к более высоким частотам, как уже отмечалось в этих работах, приводит к возникновению дополнительных помех при приеме слабых радиолокационных сигналов, возникающих при рассеянии радиоволн дождевыми каплями.

В работах [1,2] уже производилось сравнение эффекта обратного рассеяния от дождей на 35 ГГц по сравнению с данными на частотах 24 и 16 ГГц; этот эффект при неблагоприятных метеорологических условиях может приводить к возникновению сильных помех для приема радиолокационных сигналов. Однако эти помехи существенно ослабляются при использовании круговой поляризации излучения. При снижении частоты несущей помехи приему сигналов из-за отражений от слоев осадков также сильно ослабляются, а также ухудшается разрешение РЛС и увеличиваются габариты антенной системы.

В итоге исследований и разработок были созданы ряд новых РЛС (см. табл. 1), которые с некоторыми модификациями параметров до сих пор находятся  в эксплуатации в различных аэропортах.

Для дальнейшего совершенствования таких РЛС необходимы исследования применимости диапазона миллиметровых волн, включая его короткую часть; в литературе такие данные до сих пор отсутствовали за исключением нескольких отдельных публикаций.

Изучалась возможность использования несущих частот в районе 34 ГГц вместо 16 и 24 ГГц.  Не вызывало сомнений, что обратное рассеяние от дождя представляет собой серьёзную проблему, однако предполагалось, что при круговой поляризации можно существенно снизить это влияние на частоте 24 ГГц. Проблема подавления мешающих отражений от дождя становилось более острой с увеличением частоты, но уменьшение несущей частоты требовало увеличения апертуры антенны и усложняло её конструкцию.

В настоящее время не известны данные по исследованиям применения в таких РЛС техники ММД, поэтому, несомненно, представляет интерес рассмотреть возможность применения таких радиоволн в РЛС ОЛП, особенно их короткой части, т.к. дальности таких РЛС невелики.

 

Таблица 1.

Основные параметры  зарубежных  РЛС обзора летного поля

Примечания. АПР, ЦПР - аналоговое и цифровое преобразование развертки; МГ - магнетронный генератор; ЛБВ - лампа бегущей волны.

 

Большинство РЛС обнаружения и сопровождения самолетов в системе управления воздушным движением (УВД), имеют разрешающую способность по дальности, при которой обнаруживаемый объект находится в пределах разрешаемого объема пространства, ограниченного шириной ДНА РЛС по азимуту и углу места и элементом разрешения по дальности [5-7].

 Для РЛС ОЛП в качестве объектов могут быть как протяженные (здания, аэродромные конструкции, взлетно-посадочные площадки), так и малоразмерные (самолеты на стоянках и рулежных дорожках и на подлете к аэродрому на малых высотах, автотранспорт для перевозки пассажиров и технического обслуживания). Поэтому РЛС ОЛП  при плохой оптической видимости должна иметь высокие параметры по разрешению обнаруживаемых объектов по угловым координатам и дальности (например, в случае применения короткой части ММД радиоволн), чтобы обеспечивать высокую вероятность не только по обнаружению наземных и низколетящих летательных аппаратов (ЛА), идущих на посадку, но и по их распознаванию.

 Необходимо также отметить, что РЛС с высоким разрешением по указанным параметрам применяются, когда интенсивность воздушного движения достаточно велика, плохие погодные условия часты, посадка ЛА в ночных условиях и когда закрывать аэродромы  I и II класса практически  невозможно. Специфические требования выдвигают аэропорты такого класса, где большие расстояния до влетно-посадочных площадок (ВПП) и рулежных дорожек (РД) затрудняют слежение за самолетами с диспетчерского пункта (даже в ясную погоду).  В данном случае, вероятность ошибки экипажа при выборке РД возрастает, особенно ночью или при плохой видимости.

 Поскольку основным фактором в УВД является безопасность, которая трудно поддается теоретической оценке, то в будущем для обеспечения высокой безопасности необходимо более широкое применение РЛС ОЛП в ММ диапазоне волн на малых дальностях порядка 4000 м.

Анализ типовых схем аэродромов различных классов, состава их технического  оборудования и сооружений, а также режимов функционирования самолетов во время взлета и посадки в погодных условиях, характерных для Европейской части территории России, позволил обосновать основные тактико-технические требования к РЛС ОЛП в случае использования короткой части ММД радиоволн, в окне прозрачности 3 мм [6, 7]. Эти требования приведены также в Табл. 2.

 

                      Тактико-технические требования к РЛС ОЛП.

Зона действия:

по дальности - от 150 до 4500;

по высоте - от поверхности  до 30-60 м.

Размеры объектов - начиная  от малоразмерных наземных транспортных средств и

небольших самолетов до воздушных лайнеров максимальных размеров.

Скорость движения объектов - от нулевой до взлетной (посадочной) скорости самолета.

Технические характеристики РЛС  на максимальной дальности 4500 м:

разрешающая способность по дальности для малоразмерных объектов - 15 м (длительность импульса должна быть ~50нс);

линейная разрешающая способность по азимуту - не более 15м (угловое разрешение  должно быть не хуже чем  3,5 д.у., что соответствует  0,25°);

сектор обзора по азимуту - ±30°;

сектор обзора по углу места - от +5° до - 30°;

иметь возможность определять направление движения объекта;

обнаруживать с высокой вероятностью наземные объекты на фоне ВПП (не ниже  0,9) при вероятности ложной тревоги  .

Погодные условия -  любые, включая дождь интенсивностью до 16 мм/ч.

Высота подъема антенны (башни) - от 15 до 90 м.

 

                     1. Рабочая частота и разрешающая способность РЛС.

Для обеспечения высокой разрешающей способности РЛС по азимуту желательно увеличить ее рабочую частоту с тем, чтобы минимизировать размер антенны, а также снизить ее стоимость, массу, ветровую нагрузку и мощность электропривода. Верхнее значение рабочей частоты обусловлено допустимым ухудшением характеристик РЛС из-за явления обратного отражения и ослабления энергии радиоволн в гидрометеорах. С ростом частоты увеличиваются  и потери в волноводном тракте, однако влияние этих потерь можно снизить, разместив приемопередатчик как можно ближе к антенне.

Возможным решением является выбор рабочей частоты РЛС в сантиметровом диапазоне (СМД) радиоволн (1,91 и 1,85 см, что соответствует частотам 15,7 и 16,2 ГГц, см табл.1)  или для обеспечения безопасности полетов  в ММД - (8,15 и  3,2 мм, что соответствует частотам 36,8 и 93,75 ГГц). 

До настоящего времени практически все существующие РЛС ОЛП работают в СМД радиоволн (см. табл. 1).  Однако в 1970 г. в США была создана первая РЛС ОЛП  "Decca  MK-5 ASMI" на частоте 35 ГГц, которая из-за состояния в то время элементной базы не получил широкого применения.

Ныне в результате многих исследований и конструкторских разработок развиты новые принципы  генерации, усиления и преобразования СВЧ -колебаний таких волн, создание и освоение в промышленном исполнении многочисленных элементов и узлов новых приемо-передающих радиотехнических комплексов. Анализ особенностей распространения радиоволн показывает, что в ММД радиоволн имеется целый ряд участков спектра (в районе волн: 8,15; 3,2; 2,2; 1,3 мм), где ослабление невелико [4], что позволяет использовать ММ диапазон волн.

В радиолокационных системах наиболее перспективными диапазонами волн для использования в РЛС ОЛП, с точки зрения распространения радиоволн и технического состояния элементной базы являются волны в области 8 мм (длинноволновая часть) и 3 мм (коротковолновая часть) [6, 7].

 

2. Характеристики антенны.

Для повышения разрешающей способности в азимутальной плоскости РЛС размеры апертуры антенны следует увеличивать, что позволит получить более высокий коэффициент направленного действия (КНД) антенны, а также малый уровень мешающих отражений от осадков. На длинах волн 1,91 и 18,5 см и диаметре антенны 5 м  у существующих РЛС ОЛП ширина ДНА по азимуту соответственно равны 0,28° и 0,27°, что не полностью отвечает предъявляемым требованиям.

Для РЛС ММД на волнах 8,15; 3,2; 2,3 и 1,3 мм  значения ширины ДНА по азимуту при диаметре апертуры  5 м  будут соответствовать: 2 д.у. (0,12°);  0,8 д.у. (0,047°);  0,6 д.у.  (0,034°) и  0,3 д.у. (0,019°).  Такие станции могли бы обладать более высоким разрешением по угловым координатам. Представляет интерес, каковы же будут размеры апертуры антенны в ММД при требуемой ширине ДНА равной 0,25°, согласно предъявляемым ТТХ. В данном случае лине

 С целью уменьшения мощности мешающих отражений от осадков необходимо увеличивать размер апертуры антенны по углу места и тем самым сужать ДНА в вертикальной плоскости. Однако по конструктивным соображениям применение больших апертур нежелательно. Зона обзора РЛС в вертикальной плоскости должна охватывать углы вплоть до тех, которые на максимальной дальности соответствуют высотам, превышающим высоту башни. Известно, что антенные башни РЛС ОЛП во всем мире имеют высоту от 15 до 90 м, то такая зона обзора  может быть получена при ширине ДНА по углу места, равной примерно 1°. Это соответствует размерам апертуры на волнах 2 см - 1,5 м,  8 мм  - 1 м  и 3,2 мм - 0,4 м.  Для того, чтобы зона обзора охватывала расположенные вблизи от РЛС объекты, используется модифицированная форма поверхности зеркала антенны с переменным фокусным расстоянием, позволяющая излучать часть энергии в нижнюю полусферу. Можно было бы ожидать, что применение антенны  с шириной ДНА по углу места, превышающей 1°, приведет к ухудшению характеристик РЛС из-за увеличения мешающих отражений. Однако на практике существенного роста уровня таких мешающих отражений, принятых по главному лепестку ДНА не наблюдается, так как  при расширении луча в вертикальной плоскости размер разрешаемого объема ограничивается поверхностью Земли. Тем не менее при ширине ДНА по углу места более 2° дополнительные мешающие отражения от осадков, приходящие после отражения от земной поверхности, значительно ухудшают характеристики РЛС. Хорошим компромиссным решением является применение  ДНА с шириной  в районе 1,5°. Это значение ширины ДНА соответствуют величинам апертур антенны: на длине волны 2 мм - 1 м; на  волне 8 мм - 0,4 м и на волне 3,2 мм - 0,15 см.

С целью уменьшения влияния отражений от дождя в РЛС применяют круговую поляризацию излучаемого сигнала. При этом коэффициент подавления мешающих отражений представляет собой фактически степень эллиптичности круговой поляризации отраженных сигналов. При малых углах места коэффициент подавления мешающих отражений менее важен, так как большая часть мешающих отражений принимается главным лепестком ДНА по углу места. Поэтому техническими условиями устанавливается величина коэффициента подавления в 13 дБ при угле места -31°. Мощность от осадков, принимаемых антенной в результате дополнительных отражений от земной поверхности, может превышать мощность мешающих отражений от осадков на входе антенны по главному лучу непосредственно (т.е. при отсутствии отражений от земной поверхности). Так как при отражении от земной поверхности поляризация сигнала меняется, считается допустимо значение коэффициента подавления мешающих отражений по главному лепестку ДНА по углу места в 17 дБ.

Для получения высокой частоты обновления данных необходима большая скорость вращения антенны. Однако увеличение её скорости вызывает ряд конструктивных проблем, связанных с центробежными силами на краях антенны и большой требуемой мощностью её привода. Скорость вращения антенны в РЛС ОЛП равна 60 об/мин, что обеспечивает обновление информации с периодом 1 с. Объекты, обладающие наибольшей скоростью, проходят за период обновления информации расстояние в 91 м, сравнимое размерам самого большого пассажирского самолета.

 

3. Частота повторения импульсов.

Для повышения средней мощности сигнала, отраженного от объекта, требуется высокая частота повторения зондирующих импульсов. При скорости вращения антенны  60 об/мин  и частоте повторения импульсов ~ 20 кГц число импульсов, отраженных от объекта за один проход ДНА (т.е. число импульсов за время облучения объекта), равно 13. На дальности 3000 м линейные интервалы по азимуту между импульсами составляют 0,9 м. Тогда число импульсов, облучающих самолет длиной 40 м (т.е. примерно такой самолет, как ТУ -154), будет равно 42. Применение высокой частот повторения импульсов наряду с быстрым изменением рабочей частоты позволяет при обработке сигналов  улучшить отношение мощности сигнала к мощности мешающих отражений. Однако при увеличении частоты повторения импульсов возрастает вероятность появления в данном периоде повторения  тех сигналов, которые соответствуют предыдущему зондирующему импульсу, отраженному от удаленных строений и неровностей местности. Для исключения этого явления применяется дискретное изменение несущей частоты зондирующего импульса на величину, превышающую полосу пропускания приемника.

Высокая частота повторения импульсов оказывает также благоприятное влияние на выигрыш, достигаемый при обработке в отношении сигнал/шум, при этом улучшаются  характеристики обнаружения малых объектов на фоне шума приемника и всех объектов на фоне отражений от дождя.

Тогда как высокая частота повторения увеличивает нагрузку на цифровой преобразователь координат, то низкая частота повторения может привести к потере объекта из-за того, что луч антенны проходит заданное направление с такой скоростью, что соответствующая ячейка памяти в преобразователе развертки остается пустой. При низкой частоте повторения влияние потерь объекта можно скомпенсировать путем заполнения азимутальных ячеек памяти данными, полученными в предыдущий периодах повторения импульсов, но при этом возрастает объем обработки сигналов, уменьшается скорость выдача данных и ухудшается разрешающая способность по азимуту.

 

4. Длительность зондирующего импульса и ширина полосы пропускания приемника.

Малая длительность зондирующего импульса способствует повышению разрешающей способности по дальности и уменьшения уровня мешающих отражений. С другой стороны, при увеличении длительности импульса возрастает средняя мощность сигнала облучения объекта. При этом облегчается процесс преобразования импульсного сигнала в цифровом преобразователе развертки, а сигнал имеет  более узкий спектр и его проще генерировать. Во многих случаях предельно достижимая разрешающая способность по дальности ограничивается разрешением индикатора. Если считать (как это часто встречается в схеме цифрового преобразователя РЛС ОЛП), что каждой ячейке преобразователя будет соответствовать элемент разрешения по дальности размером  6м, то длительность зондирующего импульса будет в пределах 40 нс.

С целью получения максимального отношения сигнал/шум ширина полосы пропускания приемника обычно выбирается как величина, обратная длительности зондирующего импульса. В рассматриваемом случае значение ширины полосы пропускания приемника соответствовала бы 28 МГц, но для увеличения разрешающей способности по дальности предусматривается, как правило, более широкая полоса пропускания порядка - 40 МГц.

 

5. Дальность обнаружения объектов.

РЛС ОЛП должна иметь дальность обнаружения объектов до 4500 м в пределах летного поля аэропорта. Объекты могут быть различных размеров, начиная от широкофюзеляжного самолета и до небольших наземных транспортных средств. Удобно пользоваться для расчета дальности действия РЛС ОЛП в зависимости от их основных параметров и в различных метеоусловиях методикой, приведенной в [5].

 Особенности передачи и приема электромагнитной энергии, а также обработки сигнала в РЛС миллиметрового диапазона (ММД), определяются особенностями техники этого диапазона. При оценке дальности РЛС ММД применяется известное в радиолокации уравнение дальности. Поскольку миллиметровые волны имеют в сравнении с сантиметровыми волнами большее затухание в атмосфере, то оценку дальности действия целесообразно проводить для нормальных погодных условий  и в дождях средней интенсивности (5мм/ч).  Указанная интенсивность дождя выбрана как неблагоприятный случай, когда процент времени появления таких дождей в течение времени года составляет 0,05- 0,1. Считается, что наихудшие погодные условия соответствуют дождю интенсивностью 16 мм/ч, но такие случаи бывают очень редко (до 0,01 % времени дождей года) [6].

Энергетическую оценку РЛС целесообразно проводить по мощности передатчика, требуемой для обеспечения заданной дальности действия. С этой целью уравнение радиолокации представим в виде:

 

                                                                                     - 0,2 gaДo

                  Рпер = [4psо Рпр мин  l² (До²)²]/(Sa L Go) 10                   ,                    (1)    

                                                                                        

где     Рпер -  мощность передатчика; 

          Рпр мин -  чувствительность приемника;

          Sa - эффективная площадь антенны;

           L- коэффициент потерь в волноводном тракте и за счет неоптимальности об-

               работки  сигнала;

         Д о-  дальность до объекта;

         ga -  коэффициент затухания радиоволн в атмосфере;

         sо -  ЭПР объекта.

Для оценки дальности действия РЛС ММД в качестве наиболее перспективных длин волн передатчика станции, как правило, можно принять длины волн 1,3 мм,  2,2 мм, 3,3 мм, 8,15 мм  в окнах прозрачности, а  формулу радиолокации можно представить в логарифмической форме:

                                    Д

                                 2ò g(Д)dД + 40 lgД + 71 = П,                                            (2)

                                   o                                                                                           

где g(Д) - коэффициент погонного ослабления излучения на трассе распространения радиоволн, дБ/км;

      П -  безразмерный параметр потенциала РЛС (в дБ), равный

               П = По – 2 qcш – 2L’ -2l’ + 2S’э + s’,                                                (3)

     По - энергетический потенциал РЛС, равный отношению мощности передатчика к чувствительности приемника;

   71 и 40 -  числа (коэффициенты), полученные в результате логарифмирования уравнения

                   дальности;

     qcш - отношение сигнал/шум на входе приемника; 

       L’ -  суммарные потери в СВЧ трактах;

       l’  -  величина, отнесенная к длине волны l = 1 мм;

      S’э -  величина, отнесенная к эффективной площади антенны  равной 1 м²;

      s   -  величина, отнесенная к ЭПР объекта s = 1м ².

Зависимость g (Д) является достаточно сложной, но с погрешностью в пределах 10-15 % эту величину можно представить как усредненное   значение   коэффициента  ослабления  на  трассе “РЛС - объект” -

                                                                         Д

                                                               l  » 1/Дòg(Д)dД.

                                                                                               o         

     Оценка дальности действия  РЛС в чистой атмосфере и при выпадении дождей можно провести по номограмме, приведенной  на рис.1, рассчитанной по формулам (2) и (3). Здесь диагональная ось  Õ*о соответствует значениям энергетического потенциала РЛС в дБ и соответствует величине Õ (формула 3), а слева и справа от этой оси нанесены шкалы Õ¢ - отрицательных и положительных поправок к величине Õ*о.

Для этого необходимо задаваться параметрами станции и значениями qcш и s, вычислить по формуле (3) величину Õ.  Затем  для  выбранного  значения  ослабления 

ga на диагональной оси номограммы Õ*о найти точку, соответствующую заданному ослаблению, и затем определить величину поправки  по зависимости Õ¢ = Õ - Õ*о, на которую необходимо переместиться по перпендикуляру от оси Õ*о вправо (положительные поправки) или влево (отрицательные поправки). После перемещения на величину поправки, полученная точка на  диагональной линии значений Õ¢, определяемая ординатой номограммы и является дальностью действия РЛС с точностью 5%.

 

 

Рис. 1.  Номограмма определения дальности действия РЛС.

 

Пример. Выбираем на оси абсцисс диапазон длин волн l =3-4 мм и интенсивность дождя 5 мм/ч, что по номограмме соответствует точке А.  От точки А поднимаемся вверх до пересечения диагональной линии Õ*о, что соответствует точке М, в которой величина Õ*о = 86 дБ. Теперь задаваясь параметрами  РЛС находим по формуле (3) величину Õ  и затем находим значение поправки Õ¢. Допустим эта величина  оказалась равной + 30 дБ. Теперь из точки М перемещаемся влево до диагонали поправок, соответствующей величине +30 дБ, точка М¢.  Проекция полученной точки М¢ на ось ординат, точка Б и определяет искомую  дальность действия РЛС для выбранных параметров, что соответствует дальности действия станции равной 2,5 км.

Таким образом, по приведенной номограмме легко определить дальность действия РЛС ММД радиоволн в том числе и в дождях различной интенсивности.

По данной методике были проведены расчеты дальности действия РЛС на длинах волн 2 мм, 3 мм и 8 мм, в том числе и для дождей средней интенсивности 5 мм/ч, результаты которых в виде графиков   П= f (Д)  приведены на рис. 2.      

Анализируя возможности приемо-передающих устройств ММД для максимально допустимой на настоящее время  величины энергетического потенциала  По= 160 дБ  дальности их действия для различных метеусловий могут быть в пределах указанных в табл.2 [7].

 

 

 

Рис. 2. Дальность действия РЛС миллиметрового диапазона в зависимости

от энергетического потенциала.

 

 Таблица 2.

Дальности их действия для различных метеусловий

 

Из приведенных данных видно, что дальность действия в 4500 м обеспечивается во всех сложных и неблагоприятных условиях на волне 8 мм и 3 мм в благоприятных условиях и в дождях средней интенсивности.

Проведенный анализ требований, предъявляемых к РЛС ОЛП, а также возможностей радиолокационной техники ММД, позволил оценить возможные значения основных параметров таких РЛС, которые приведены в табл. 3.

Таким образом, можно заключить, что для разработки РЛС обзора летного поля, обеспечивающих предъявляемые требования к таким системам, но с гораздо меньшими размерами антенных систем, могут эффективно применяться радиолокационные системы, на частоте 35 ГГц. Радиолокационные же системы на частоте 94 ГГц в перспективе также займут достойное место при разработке таких РЛС, если не будут предъявляться более жесткие требования по обеспечению дальности действия.

 

                                                                                                         Таблица 3.

Возможные значения основных параметров таких РЛС

 

 

Литература.

1. Шваб К.Е., Рост Д.П. Радиолокационная станция обзора летного поля. ТИИЭР, т.73, № 2, февраль 1985, с. 136-149.

2. Bloem P.J., Bishop G.J., Kuhn J.E. "Detection performance evaluation of the ASDE-3 usinq fixed frequency and frequency-agile operation", FAA Rep. FAA-RD-81-41, NTIS Doc. ADA099-513, 1981.

3. Holcroft J.D., Martin S.J. "ASMI-18X an airport surtace surveillance radar", in IEE RADAR-82, p.p. 311-315,1982.

4. Быстров Р.П., Выставкин А.Н., Голант М.Б., Мериакри В.В., Кошелец В.П., Синицын Н.И., Соколов А.В., Тарасов М.А. Миллиметровые и субмиллиметровые радиоволны: электровакуумные приборы, газовая и лучеводная спектроскопия, элементы и устройства сверхпроводниковой электроники. Зарубежная радиоэлектроника, № 11, 1997, с. 3-31.

5. Быстров Р.П., Потапов А.А., Соколов А.В., Федорова Л.В., Чеканов Р.Н. Проблемы распространения и применения миллиметровых радиоволн в радиолокации. Зарубежная радиоэлектроника, № 1, 1997, с. 4-20.

6. Быстров Р.П. Радиолокационные системы обнаружения наземных объектов в короткой части миллиметрового диапазона волн В 2-х томах. - М.: Изд-во “Технология”, 2002 г

7. Быстров Р.П., Соколов А.В., Чеканов Р.Н. Миллиметровая РЛС обнаружения, сопровождения самолетов в условиях плохой оптической видимости. Доклад на  XII Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике, 19-21 декабря 2003 г., Москва (Фирсановка), - с. 519-520.     

 

оглавление

дискуссия