Rendetlenség (radar) - Clutter (radar)

A rendetlenség olyan kifejezés, amelyet az elektronikus rendszerek nem kívánt visszhangjaira használnak, különösen a radarokkal kapcsolatban . Az ilyen visszhangok jellemzően a talajból, a tengerből, az esőből, az állatokból/rovarokból, a pelyvából és a légköri turbulenciákból származnak , és komoly teljesítményproblémákat okozhatnak a radarrendszerekben.

Visszaszórási együttható

Amit az egyik ember rendetlenségnek tart, azt a másik célpontnak tekintheti. A célpontok azonban általában pontszórókra, a rendetlenség pedig kiterjesztett szórókra vonatkoznak (sok tartomány-, szög- és Doppler -sejtre terjednek ki). A rendetlenség feltölthet egy térfogatot (például eső), vagy egy felületre (például földre) korlátozódhat. A radarvisszatérés (visszaszórás) becsléséhez elvileg a rendetlenség területéről csak a megvilágított térfogat vagy felület ismerete és a térfogat egységnyi, η vagy egységnyi felületen, σ ° (a visszaszórási együttható ).

Zavaros vagy zajmentes radar

Az esetleges rendetlenségek mellett zaj is lesz. A céljelzéssel versenyző teljes jel tehát rendetlenség és zaj. A gyakorlatban gyakran vagy nincs rendetlenség, vagy a rendetlenség dominál, és a zaj figyelmen kívül hagyható. Az első esetben azt mondják, hogy a radar Noise Limited, a másodikban a Clutter Limited.

Hangerő rendetlenség

Az eső, a jégeső, a hó és a pelyva példák a hangerő zűrzavarára. Tegyük fel például, hogy egy légi célpont a hatótávolságon belül egy esőben van. Milyen hatással van a célpont kimutathatóságára? ${\ displaystyle R}$

Először keresse meg a rendetlenség visszatérésének nagyságát. Tegyük fel, hogy a rendetlenség kitölti a célt tartalmazó cellát, a szórók statisztikailag függetlenek, és a szórók egyenletesen oszlanak el a köteten. A zsúfoltság térfogat megvilágított egy impulzust lehet kiszámítani a fénysugár szélessége és az impulzus időtartamának, 1. ábra Ha c a fény sebessége, és az időtartam a küldött impulzus, majd az impulzus visszatérő egy cél egyenértékű fizikai c mértéke , akárcsak a rendetlenség bármely egyes elemének visszatérése. A azimut és magassági beamwidths, egy tartományban , vannak , és rendre, ha a megvilágított sejt feltételezzük, hogy egy ellipszis keresztmetszetű. ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ theta /2}$${\ displaystyle \ phi /2}$

A megvilágított cella térfogata így:

${\ displaystyle \ V_ {m} = \ pi R \ tan (\ theta /2) R \ tan (\ phi /2) (c \ tau /2)}$

Kis szögeknél ez egyszerűsödik:

${\ displaystyle \ V_ {m} \ kb {\ frac {\ pi} {4}} (R \ theta) (R \ phi) (c \ tau /2)}$

Feltételezzük, hogy a rendetlenség nagy számú független szórót jelent, amelyek egyenletesen töltik ki a célt tartalmazó cellát. A térfogatból származó rendetlenséget a szokásos radar -egyenlethez hasonlóan kell kiszámítani, de a radar keresztmetszetét a térfogat -visszaszórási együttható és a rendellenesség -cellák térfogatának szorzata helyettesíti . A rendetlenség visszatérése akkor ${\ displaystyle \ eta}$

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G_ {t} A_ {r}} {(4 \ pi)^{2} R^{4}}} {\ frac {\ pi} {4} } (R \ téta) (R \ phi) (c \ tau /2) \ eta}$

ahol

• ${\ displaystyle P_ {t}}$ = adó teljesítmény (watt)
• ${\ displaystyle G_ {t}}$= az adó antenna nyeresége
• ${\ displaystyle A_ {r}}$= a vevő antenna hatékony rekesznyílása (területe)
• ${\ displaystyle R}$ = távolság a radartól a célig

Javítást kell végezni annak érdekében, hogy a rendetlenség megvilágítása nem egyenletes legyen a sugár szélességében. A gyakorlatban a sugár alakja megközelíti a sinc függvényt, amely maga is megközelíti a Gauss -függvényt . A korrekciós tényezőt úgy találjuk meg, hogy a sugár szélességébe integráljuk az antenna Gauss -közelítését. A korrigált hátsó szórt teljesítmény az

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G_ {t} A_ {r}} {2 \ log 2 (4 \ pi)^{2} R^{4}}} {\ frac {\ pi } {4}} (R \ théta) (R \ phi) (c \ tau /2) \ eta}$

Számos egyszerűsítő helyettesítés hajtható végre. A vevő antenna nyílása a nyereséghez kapcsolódik:

${\ displaystyle \ A_ {r} = {\ frac {G \ lambda ^{2}} {4 \ pi}}}$

és az antenna nyereség a két nyalábszélességhez kapcsolódik:

${\ displaystyle \ G = {\ frac {\ pi ^{2}} {\ theta \ phi}}}$

Ugyanazt az antennát általában adásra és vételre is használják, így a vett rendetlenségi teljesítmény:

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G \ lambda ^{2}} {1024 (\ log 2) R ^{2}}} c \ tau \ eta}$

Ha a rendetlenség visszatérő teljesítménye nagyobb, mint a rendszer zajteljesítménye, akkor a radar zavaros, és a jel -rendetlenség aránynak egyenlőnek vagy nagyobbnak kell lennie, mint a minimális jel -zaj arány, hogy a cél észlelhető legyen.

A radaregyenletből a célból származó visszatérés lesz

${\ displaystyle \ S = {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} \ sigma}$

eredő kifejezéssel a jel / rendetlenség arányra

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {1024 (\ log 2) G \ sigma} {(4 \ pi)^{3} R^{2} c \ tau \ eta} }}$

Ebből az következik, hogy ha a radar zajkorlátozott, a jel -zaj arány változása fordított negyedik teljesítmény. A távolság felezése a jel / zaj arányt 16 -szorosára növeli (javítja). Ha a radar hangereje korlátozott, az eltérés azonban fordított négyzet törvény, és a távolság felére csökkentése javítja a jel rendetlenségét mindössze 4 -szer.

Mivel

${\ displaystyle \ G = {\ frac {\ pi ^{2}} {\ theta \ phi}}}$

ebből következik, hogy

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {16 (\ log 2) \ sigma} {\ pi R^{2} \ theta \ phi c \ tau \ eta}}}$

Egyértelműen keskeny nyalábszélességre és rövid impulzusokra van szükség a rendetlenség hatásának csökkentéséhez azáltal, hogy csökkenti a rendetlenség cellájának térfogatát. Ha impulzus kompressziót használnak, akkor a számítás során a megfelelő impulzus időtartamot a tömörített impulzus időtartamára kell használni, nem pedig az átvitt impulzusra.

Problémák a jel és a hangerő arányának kiszámításakor

Probléma a térfogatzavarral, például esővel, hogy előfordulhat, hogy a megvilágított térfogat nincs teljesen kitöltve, ebben az esetben a betöltött frakciót ismerni kell, és előfordulhat, hogy a szórók nem egyenletesen oszlanak el. Tekintsünk egy 10 ° -os magasságú gerendát. 10 km -es hatótávolságon a sugár a talajszinttől 1750 méter magasságig terjedhet. Eső lehet a talaj szintjén, de a gerenda teteje a felhő szintje felett lehet. A gerenda esőt tartalmazó részén a csapadékmennyiség nem lesz állandó. Ahhoz, hogy pontosan felmérhessük a rendetlenséget és a jel -rendetlenség arányt, tudnunk kell, hogyan oszlott el az eső. Az egyenletből csak egy 5 vagy 10 dB -es becslésre lehet számítani.

Felületi rendetlenség

A felületi rendetlenség visszatérése függ a felület jellegétől, érdességétől, a legeltetési szögtől (a sugárnak a felülettel alkotott szöge), a frekvenciától és a polarizációtól. A visszavert jel a sok forrásból származó, számos forrásból származó fázisösszeg, amelyek közül néhány mozgásképes (levelek, esőcseppek, hullámzások), néhány pedig álló (oszlopok, épületek, fatörzsek). A rendetlenség egyes mintái felbontási cellánként változnak (térbeli variáció), és az adott cella idővel változnak (időbeli eltérés).

Sugár kitöltése

A Föld felszínéhez közeli olyan célpont esetében, ahol a Föld és a célpont azonos tartományban vannak, a két feltétel egyike lehetséges. A leggyakoribb eset az, amikor a sugár olyan szögben metszi a felületet, hogy a bármikor megvilágított terület csak töredéke annak a felületnek, amelyet a gerenda metsz, amint azt a 2. ábra szemlélteti.

Korlátozott impulzushosszú tok

Az impulzushossz korlátozott esetben a megvilágított terület függ a sugár azimut szélességétől és az impulzus felületen mért hosszától. A megvilágított folt szélessége azimut

${\ displaystyle \ 2R \ tan \ theta /2}$.

A felület mentén mért hossz

${\ displaystyle \ (c \ tau /2) \ sec \ psi}$.

A radar által megvilágított területet ezután a

${\ displaystyle \ A = 2R (c \ tau /2) (\ tan \ theta /2) \ sec \ psi}$

A „kis” nyalábszélességeknél ez megközelítőleg

${\ displaystyle \ A = R (c \ tau /2) \ theta \ sec \ psi}$

A rendetlenség visszatérése akkor

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} A \ sigma^{o} }$ Watts

A megvilágított terület helyettesítése ${\ displaystyle A}$

${\ displaystyle \ C = {\ frac {c} {2^{7} \ pi^{3}}} {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {R^{ 3}}} \ tau \ theta \ sec \ psi \ sigma ^{o}}$ Watts

hol van a rendetlenség hátsó szórási együtthatója. A fokra konvertálás és a számértékek megadása megadja ${\ displaystyle \ sigma ^{o}}$${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle \ C = 1300 {\ frac {P_ {t} G ^{2} \ lambda ^{2}} {R ^{3}}} \ tau \ theta ^{o} \ sec \ psi \ sigma ^ {o}}$ Watts

A cél -visszatérítés kifejezése változatlan marad, így a jel -rendetlenség aránya

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {1} {1300}} {\ frac {R^{3}} {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2 }}} {\ frac {1} {\ tau \ theta \ sec \ psi \ sigma ^{o}}} {\ frac {P_ {t} G ^{2} \ lambda ^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} \ sigma}$ Watts

Ez leegyszerűsíti a

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = 4-szer 10^{-7} {\ frac {\ cos \ psi} {R \ tau \ theta}} {\ frac {\ sigma} {\ szigma ^{o}}}}$

Felszíni rendetlenség esetén a rendetlenségre vonatkozó jel fordítottan változik R -vel. A távolság felezése csak az arány megduplázódását okozza (kétszeres javulás).

Problémák a rendetlenség kiszámításakor az impulzushossz korlátozott esetben

A jel -rendetlenség arány kiszámításakor számos probléma merül fel. A távolsági fénysugár rendetlensége a legeltetési szögek széles tartományára kiterjed, és a visszaszórási együttható a legeltetési szögtől függ. Rendetlenség jelenik meg az antenna oldalsó oszlopaiban , ami ismét számos legeltetési szöget foglal magában, és akár más jellegű rendetlenséget is magában foglalhat.

Sugár szélesség korlátozott tok

A számítás hasonló az előző példákhoz, ebben az esetben a megvilágított terület

${\ displaystyle \ A = \ pi R ^{2} \ tan ^{2} \ theta /2}$

ami kis nyalábszélességek esetén egyszerűsödik arra

${\ displaystyle \ A \ kb \ pi R ^{2} \ theta ^{2}/4}$

A rendetlenség visszatér, mint korábban

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} A \ sigma^{o} }$ Watts

A megvilágított terület helyettesítése ${\ displaystyle A}$

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} \ pi R^{2} (\ téta /2) ^{2} \ szigma ^{o}}$ Watts

Ezt le lehet egyszerűsíteni:

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G ^{2} \ lambda ^{2}} {4 ^{4} \ pi ^{2} R ^{2}}} \ theta ^{2 } \ szigma ^{o}}$ Watts

Átváltás fokra ${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle \ C = {\ frac {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}} {4^{4} R^{2}}} (\ theta^{o}/180)^ {2} \ sigma ^{o}}$ Watts

A célhozam tehát változatlan marad

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = {\ frac {4^{4} R^{2}} {P_ {t} G^{2} \ lambda^{2}}} (180 /\ theta ^{o}) ^{2} {\ frac {1} {\ sigma ^{o}}} {\ frac {P_ {t} G ^{2} \ lambda ^{2}} {(4 \ pi)^{3} R^{4}}} \ sigma}$

Ami leegyszerűsíti a

${\ displaystyle \ {\ frac {S} {C}} = 5,25 \ x 10^{4} {\ frac {1} {\ theta^{o2} R^{2}}} {\ frac {\ sigma} {\ szigma ^{o}}}}$

Ahogyan a hangerő -rendetlenség esetében is, a jel -rendetlenség fordított négyzet törvényt követ.

Általános problémák a felületi rendetlenség kiszámításakor

Az általános jelentős probléma az, hogy a visszaszórási együtthatót általában nem lehet kiszámítani, és meg kell mérni. A probléma az, hogy egy helyen, egy adott körülmények között végzett mérések érvényessége más körülmények között, más körülmények között történik. Különféle empirikus képletek és grafikonok léteznek, amelyek lehetővé teszik a becslést, de az eredményeket óvatosan kell használni.

Rendetlenség összecsukása

A rendetlenség összecsukása a radarrendszerek által látott "rendetlenség" leírására használt kifejezés . A rendetlenség összecsukása akkor válik problémává, ha a rendetlenség hatótávolsága (a radar által látva) meghaladja a radar impulzusismétlési frekvencia intervallumát, és már nem biztosítja a rendetlenség megfelelő elnyomását , és a rendetlenség "visszahajlik" a tartományba. A megoldás erre a problémára általában az, ha töltési impulzusokat adunk a radar minden koherens tartózkodási helyéhez, növelve azt a tartományt, amelyen a rendszerváltás elnyomja a rendszert.

Ennek ellenjavallata az, hogy a töltési impulzusok hozzáadása rontja a teljesítményt az adók pazarolt teljesítménye és a hosszabb tartózkodási idő miatt.

Hivatkozások