Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Спектральные свойства распределенных целей

Распределенные цели (взволнованная морская поверхность, гидрометеоры, искусственные радиолокационные отражатели) представляют собой совокупность большого числа непрерывно перемещающихся элементарных отражателей. В общем случае скорость перемещения этих отражателей содержит регулярную составляющую, совпадающую по направлению со скоростью ветра, и случайную составляющую, вызванную их хаотическим перемещением. Вследствие регулярного перемещения элементарных отражателей (рассеивающих элементов) с некоторой средней относительной скоростью возникает доплеровское смещение несущей частоты, а, следовательно, спектра отраженных сигналов относительно спектра зондирующих сигналов на величину

,

где – среднее значение радиальной составляющей вектора скорости распределенной цели, которое обычно принимается равным 80 % от скорости ветра.

Хаотическое перемещение рассеивающих элементов с различными относительными скоростями приводит к расширению («размыванию») каждой составляющей спектра зондирующих сигналов, т.е. ширина спектра флюктуаций, которая оценивается одной из трех числовых характеристик:

– среднеквадратическим отклонением скоростей рассеивающих элементов ;

– среднеквадратическим отклонением доплеровского смещения частоты

;

величина соответствует половине ширины энергетического спектра флюктуаций на уровне 0,61 от максимального значения, соответствующего средней частоте спектра f ₀;

– безразмерным коэффициентом

,

оценивающим расширение спектральных линий из - за различия скоростей рассеивающих элементов распределенной цели, где f ₀

– средняя частота спектра флюктуаций. При среднем значении относительной скорости перемещения распределенной цели величина f ₀ равна f_н; ; ;

при величина f ₀ равна ; ; .

В многочисленных работах было показано, что энергетический спектр сигналов, отраженных от распределенных целей почти всех типов, можно представить гауссовским законом в любой из следующих форм

(5.28)

(5.29)

(5.30)

В этих выражениях f – текущее значение частоты, отсчитываемое от величины f ₀, т.е. при и f ₀ = f_н или и … f ₀ = 0.

Ширина энергетического спектра флюктуаций ЭПР морской поверхности, зависит в основном от состояния моря (волнения) и несущей частоты. Состояние моря оценивается высотой морских волн. Высота волны Н 4в 0 определяется вертикальным расстоянием от гребня до впадины. Состояние моря отличают градациями, приведенными в таблице 5.2 [ ]

Таблица 5.2

Повторяемость волн разной высоты для всего мирового океана в целом приведена в таблице 5.3 [ ]

Таблица 5.3

Ширину энергетического спектра флюктуаций ЭПР морской поверхности можно оценить величиной среднеквадратического отклонения доплеровского смещения частоты

, (5.31)

где H_вд – действующая (показательная) высота морских волн, под которой понимается средняя высота одной трети наиболее высоких волн.

Формула (5.31) справедлива для РЛС с вертикальной поляризацией. При горизонтальной поляризации спектр более широкий, но по мере увеличения угла падения также определяется приведенной формулой.

Ширина энергетического спектра флюктуаций ЭПР гидрометеоров определяется следующими независимыми друг от друга факторами:

1. Различные скорости ветра на различных высотах приводят к распределению радиальных скоростей частиц по вертикальному разрезу луча ДНА (градиент ветра с дисперсией ).

При постоянном в пределах луча ДНА градиенте скорости ветра среднеквадратическое отклонение скоростей определяется формулой

(5.32)

где К – градиент скорости в направлении луча, .

Для расчетов принимается , которое дает особенно хорошие результаты для слоев атмосферы высотой от 0,5 до 2 км. Из соотношения (5.32) может показаться, что ширина спектра с ростом Д увеличивается бесконечно. Однако на практике установлено, что ограничивается 6 м/с для ДНА шириной не более 2,5.

2. Конечная ширина луча ДНА является причиной расширения спектра флюктуаций ЭПР в том случае, когда направление ветра перпендикулярно направлению луча ДНА. Это расширение спектра связано с разбросом радиальных составляющих скорости ветра, тангенциально пересекающего ДНА. Среднеквадратическое отклонение скоростей определяется соотношением

,

где V ₀ – скорость ветра в центре луча ДНА;

ψ – угол между осью луча и направлением ветра.

В большинстве случаев величина не превышает 0,5 м/с.

3. Влияние турбулентности атмосферы приводит к колебаниям скорости ветра относительно ее среднего значения.

Известно, что для каждой высоты существует какое-то среднее значение скорости ветра, которое имеет смысл только при указании времени усреднения. Флюктуации относительно такого среднего значения скорости ветра получили название турбулентных. Экспериментально показано, что среднеквадратическое отклонение скорости ветра, вызванное турбулентностью атмосферы, составляет примерно для высот до 3 км; на больших высотах величина снижается до 0,7 м/с при времени усреднения равном 1 с.

4. Неоднородность скорости падения отражающих частиц (капель дождя, снежинок) приводит к различию радиальных составляющих скорости, которое оценивается среднеквадратическим отклонением , в большинстве случаев не превышающим 1 м/с.

Таким образом, разброс скорости ветра и турбулентность атмосферы являются основными факторами, определяющими ширину спектра флюктуаций ЭПР гидрометеоров. На небольших дальностях должен преобладать эффект турбулентности, а по мере увеличения дальности ширина спектра должна увеличиваться линейно из-за влияния градиента ветра.

В общем случае среднеквадратическое отклонение радиальных скоростей рассеивающих элементов гидрометеообразований, определяющее ширину спектра флюктуаций их ЭПР, оценивается следующим соотношением

Как и в случае гидрометеообразований, ширину энергетического спектра флюктуаций ЭПР облака дипольных отражателей определяют градиент ветра, его тангенциальная составляющая, турбулентность и неравномерность скоростей снижения диполей. Анализ экспериментальных данных показывает [ ], что наиболее вероятные значения составляют от 0,6 до 1,3 м/с.

При оценке влияния неравномерности падения рассеивающих элементов необходимо учитывать, что диполи опускаются более медленно, чем большие капли дождя; для проведения расчетов рекомендуется брать значения .

Анализ экспериментальных данных [ ] свидетельствует об идентичности спектров флюктуаций ЭПР облака дипольных отражателей и гидрометеоров (особенно дождя).

В общем случае, особенно при большой ширине ДНА в вертикальной плоскости, в пределах разрешаемого объема может оказаться два или даже несколько видов распределенных целей (морская поверхность + гидрометеоры; морская поверхность + гидрометеоры + дипольные отражатели и прочее) с отличающимися скоростями относительного перемещения. В этих условиях форма спектра флюктуацией становится двух- или даже многомодовой, что практически приводит к существенному расширению спектра флюктуаций суммарной ЭПР.

Таким образом, ширина энергетического спектра флюктуаций ЭПР распределенных целей зависит от многих факторов, характеризующих условия функционирования РЛС. Вместе с тем в инженерной практике для выполнения прикидочных оценок находят широкое применение приближенные значения коэффициента α и соответствующая ему ширина энергетического спектра флюктуаций на уровне 0,1 от максимума , представленные в таблице 5.4.

Таблица 5.4

Отражающий объект	α
Дождевые облака	2,3 1016
Металлизированная лента	1016
Взволнованная морская поверхность	1,41 1016
Холмы, поросшие густым лесом, при скорости ветра 32 км/ч	2,3 1017
Холмы, поросшие редким лесом, при тихой погоде	3,9 1019	2,5