Беспорядок (радар) - Clutter (radar)

Другой радар артефакт загромождение дисплея радара.

Беспорядок^[1][2]это термин, используемый для обозначения нежелательных эхо-сигналов в электронных системах, особенно в отношении радары. Такие эхо обычно отражаются от земли, моря, дождя, животных / насекомых, мякина и атмосферный турбулентность, и может вызвать серьезные проблемы с производительностью радарных систем.

Коэффициент обратного рассеяния

То, что один человек считает беспорядком, другой может считать целью. Тем не менее, цели обычно относятся к точечным рассеивателям, а помехи - к расширенным рассеивателям (охватывающим многие диапазоны, углы и доплеровские ячейки). Беспорядок может заполнять объем (например, дождь) или ограничиваться поверхностью (например, землей). В принципе, все, что требуется для оценки отраженного сигнала радара (обратного рассеяния) от области помех, - это знание объема или освещенной поверхности и эхо-сигнала на единицу объема η или на единицу площади поверхности σ ° (коэффициент обратного рассеяния ).

Радар с ограничением помех или шумом

В дополнение к возможному беспорядку всегда будет шум. Таким образом, общий сигнал, конкурирующий с целевым отражением, представляет собой помехи плюс шум. На практике часто либо беспорядок отсутствует, либо преобладает беспорядок, и шум можно игнорировать. В первом случае радар называется Noise Limited, во втором - Clutter Limited.

Объемный беспорядок

Дождь, град, снег и мякина являются примерами объемного беспорядка. Например, предположим, что воздушная цель на расстоянии ${\displaystyle R}$, сейчас идет ливень. Как это влияет на обнаруживаемость цели?

Рисунок 1. Иллюстрация освещенной камеры дождя.

Сначала найдите величину возврата беспорядка. Предположим, что беспорядок заполняет ячейку, содержащую цель, а рассеиватели статистически независимый и что рассеиватели равномерно распределены по объему. Объем препятствий, освещаемых импульсом, можно рассчитать по ширине луча и длительности импульса, рис. 1. Если c это скорость света и ${\displaystyle \tau }$ это длительность переданного импульса, тогда импульс, возвращающийся от цели, эквивалентен физической продолжительности c${\displaystyle \tau }$, как и отдача от любого отдельного элемента беспорядка. Ширина луча по азимуту и ​​углу места в диапазоне ${\displaystyle R}$, находятся ${\displaystyle \theta /2}$ и ${\displaystyle \phi /2}$ соответственно, если предполагается, что освещенная ячейка имеет эллиптическое поперечное сечение.

Таким образом, объем освещенной ячейки:

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

Для малых углов это упрощает:

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

Предполагается, что помехи представляют собой большое количество независимых рассеивателей, которые равномерно заполняют ячейку, содержащую цель. Отдача от объема рассчитывается как для нормального уравнение радара но радиолокационный разрез заменяется произведением на коэффициент объемного обратного рассеяния, ${\displaystyle \eta }$, и объем ячейки беспорядка, как получено выше. Тогда возврат беспорядка

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

куда

• ${\displaystyle P_{t}}$ = мощность передатчика (Вт)
• ${\displaystyle G_{t}}$ = прирост передающей антенны
• ${\displaystyle A_{r}}$ = эффективный отверстие (площадь) приемной антенны
• ${\displaystyle R}$ = расстояние от радара до цели

Необходимо внести поправку, чтобы учесть тот факт, что освещение препятствий неравномерно по ширине луча. На практике форма луча будет приближаться к функция sinc что само по себе приближается к Функция Гаусса. Поправочный коэффициент находится путем интегрирования по ширина луча Гауссово приближение антенны. Скорректированная мощность обратного рассеяния равна

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

Можно сделать ряд упрощающих замен. Апертура приемной антенны связана с ее коэффициентом усиления следующим образом:

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

и усиление антенны связана с двумя значениями ширины луча:

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

Одна и та же антенна обычно используется как для передачи, так и для приема, поэтому принимаемая мощность помех составляет:

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

Если мощность отражения от помех превышает мощность шума системы, то радар ограничен помехами, а отношение сигнал / помехи должно быть равно или больше минимального отношения сигнал / шум, чтобы цель могла быть обнаружена.

От уравнение радара отдача от самой цели будет

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

с результирующим выражением для отношения сигнал / помехи

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

Подразумевается, что, когда радар ограничен шумом, изменение отношения сигнал / шум является обратной четвертой степенью. Уменьшение расстояния вдвое приведет к увеличению (улучшению) отношения сигнал / шум в 16 раз. Однако, когда радар ограничен объемными помехами, изменение является обратным квадратичным законом, и уменьшение расстояния вдвое приведет к улучшению помех в сигнале. всего в 4 раза.

С

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

следует, что

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

Явно узкая ширина луча и короткие импульсы необходимы для уменьшения эффекта помех за счет уменьшения объема ячейки помех. Если сжатие импульса Тогда соответствующая длительность импульса, которая будет использоваться в расчетах, - это длительность сжатого импульса, а не передаваемого импульса.

Проблемы с вычислением отношения сигнала к объему помехи

Проблема с объемным беспорядком, например дождь, заключается в том, что освещенный объем может быть заполнен не полностью, и в этом случае должна быть известна заполненная фракция, а рассеиватели не могут быть распределены равномерно. Рассмотрим луч высотой 10 °. На дальности 10 км луч мог охватывать от уровня земли до высоты 1750 метров. На уровне земли может быть дождь, но верхняя часть луча может быть выше уровня облаков. В части луча, содержащей дождь, количество осадков не будет постоянным. Чтобы точно оценить помехи и отношение сигнала к помехам, необходимо знать, как распределялся дождь. Все, что можно ожидать от уравнения, - это оценка с точностью до 5 или 10 дБ.

Беспорядок на поверхности

Возврат поверхностных помех зависит от характера поверхности, ее шероховатости, угла скольжения (угла, который луч образует с поверхностью), частоты и поляризации. Отраженный сигнал представляет собой векторную сумму большого количества отдельных отраженных сигналов от различных источников, некоторые из которых способны двигаться (листья, капли дождя, рябь), а некоторые из них являются неподвижными (пилоны, здания, стволы деревьев). Отдельные образцы беспорядка изменяются от одной ячейки разрешения к другой (пространственная вариация) и меняются со временем для данной ячейки (временная вариация).

Заполнение балки

Рис. 2. Иллюстрация освещения поверхностных помех с больших и малых углов.

Для цели, находящейся близко к поверхности Земли, когда Земля и цель находятся в одной и той же ячейке разрешения диапазона, возможно одно из двух условий. Наиболее распространенный случай - когда луч пересекает поверхность под таким углом, что область, освещаемая в любой момент времени, составляет лишь часть поверхности, пересекаемой лучом, как показано на рисунке 2.

Случай с ограничением длины импульса

Для случая ограниченной длительности импульса освещаемая область зависит от азимутальной ширины луча и длины импульса, измеренной вдоль поверхности. Освещенный участок имеет ширину по азимуту

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

Длина, измеренная по поверхности, составляет

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

Площадь, освещенная радаром, тогда определяется как

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

Для «малой» ширины луча это примерно

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

Возврат беспорядка тогда

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

Замена освещенной области ${\displaystyle A}$

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

куда ${\displaystyle \sigma ^{o}}$ - коэффициент обратного рассеяния препятствий. ${\displaystyle \theta }$ в градусы и ввод числовых значений дает

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

Выражение для целевой доходности остается неизменным, поэтому отношение сигнала к помехам равно

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

Это упрощает

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

В случае поверхностных помех отношение сигнала к помехам теперь изменяется обратно пропорционально R. Уменьшение расстояния вдвое приводит только к удвоению отношения (улучшение в два раза).

Проблемы с вычислением помех для случая ограниченной длительности импульса

При вычислении отношения сигнал / помехи возникает ряд проблем. Помехи в главном луче распространяются в диапазоне углов скольжения, а коэффициент обратного рассеяния зависит от угла скольжения. Беспорядок появится в боковые лепестки антенны, что опять же будет связано с разными углами скольжения и может даже включать помехи иного характера.

Случай с ограниченной шириной луча

Расчет аналогичен предыдущим примерам, в этом случае освещенная площадь равна

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

что для небольшой ширины луча упрощает

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

Возврат беспорядка, как и раньше

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

Замена освещенной области ${\displaystyle A}$

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

Это можно упростить до:

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

Преобразование ${\displaystyle \theta }$ в градусы

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

Целевая доходность остается неизменной, поэтому

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

Что упрощает

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=5.25\times 10^{4}{\frac {1}{\theta ^{o2}R^{2}}}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

Как и в случае с объемными помехами, отношение сигнала к помехам следует закону обратных квадратов.

Общие проблемы при расчете беспорядка на поверхности

Общая значительная проблема заключается в том, что коэффициент обратного рассеяния, как правило, нельзя вычислить, и его необходимо измерить. Проблема заключается в достоверности измерений, выполненных в одном месте при одном наборе условий, используемых для другого места при разных условиях. Существуют различные эмпирические формулы и графики, которые позволяют сделать оценку, но результаты следует использовать с осторожностью.

Смотрите также

• Складывание беспорядка

Рекомендации

1. Golbon-Haghighi, M.H .; Чжан Г. (июль 2019 г.). «Обнаружение помех от земли для метеорологического радара с двойной поляризацией с использованием новой функции 3D-дискриминанта». Журнал атмосферных и океанических технологий. 36 (7): 1285–1296. Bibcode:2019JAtOT..36.1285G. Дои:10.1175 / JTECH-D-18-0147.1.
2. Golbon-Haghighi, M.H .; Zhang G .; Li Y .; Довяк Р. (июнь 2016). «Обнаружение помех от земли с помощью метеорологического радара с использованием метода двойной поляризации и двойного сканирования». Атмосфера. 7 (6): 83. Bibcode:2016 Атмос ... 7 ... 83G. Дои:10.3390 / атмос7060083.