Дальность действия и всепогодность терагерцевых (0,1 ТГц) и гигагерцевых (33.3 ГГц) локаторов на горизонтальных и наклонных трассах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ И ВСЕПОГОДНОСТЬ ТЕРАГЕРЦЕВЫХ (0,1 ТГЦ) И ГИГАГЕРЦЕВЫХ (33.3 ГГЦ) ЛОКАТОРОВ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ТРАССАХ

Е.Н. Семашкин, Т.В. Артюшкина,

ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова», г. Тула

Осуществлена оценка дальности действия и всепогодности терагерцевого ( = 3 мм) и гигагерцевого ( = 9 мм) локаторов для климатических условий метеопунктов Диксон, Москва, Батуми и Ашхабад. Рассмотрены горизонтальные и наклонные (20° и 45° к горизонту) трассы с учетом основных типов облаков.

Терагерцевый диапазон () простирающийся от дальней ИК-области спектра до радиоволн, представляет большой научный и практический интерес.

В плане построения приборов наблюдения и пеленгации объектов человечеством освоены: оптический и дальний ИК-диапазон (0,5 14 мкм) (оптика, телевизоры, тепловизоры, лазеры) и радиоволны с частотами менее 35 ГГц () (локаторы и радиолинии передачи команд управления). Терагерцовый диапазон осваивается главным образом за счет разработки приборов сканирования человеческого тела в медицинских и антитеррористических целях.

Между тем имеющиеся излучатели террагерцового диапазона (диоды Ганна, лазеры на свободных электронах), приемники и керамика, позволяющие делать линзы для фокусировки пучков терагерцового излучения, требуют исследования вопросов о возможности создания линий наблюдения и пеленгации в терагерцовой области, способных работать на большие дальности.

Одним из вариантов подобных приборов могут быть локаторы, широко применяемые в гражданских и военных областях.

Главными характеристиками, определяющими эффективность подобных устройств, являются их дальность действия и всепогодность.

Под всепогодностью локатора будем понимать частоту обнаружения объекта на заданную дальность в совокупности условий окружающей среды при розыгрышах.

, (1)

где - число случаев, когда дальность обнаружения была не меньше ;

- число розыгрышей, равное числу часов в году.

Оценки по зависимости (1) предполагают наличие монте-карловской программы, имитирующей погодные состояния и определяющие прозрачность трассы пеленгации объекта. В отличие от горизонтальных приземных трасс локаторам в ряде случаев приходится преодолевать облака, что отражено на рисунке 1.

Особенности работы подобного алгоритма изложены в нашем докладе на данной конференции [1] и опубликованы в [2]. Главным ядром программы является блок имитации взаимосвязанных компонент погоды «температура - относительная влажность » с последующим определением закона распределения дальности метеовидимости и количества водяного пара в атмосфере.

Алгоритм дополнен блоком имитации облаков, где всё глобальное поле облачности сведено к 5 основным типам: As (34 %), Ns (9 %), St (30 %), Cu (17 %), Cb (10 %). В скобках указана средняя для года частота появления этих облаков.

Рисунок 1 - Алгоритм вычисления оптических показателей погодных явлений.

Дальность обнаружения локатором может быть определена из трансцендентного уравнения:

дальность всепогодность локатор

,

где - энергия импульса излучения, Дж;

- эффективная площадь антенны, м²;

- средняя эффективная площадь рассеивания цели (ЭПР), м²;

- показатель ослабления радиоволн атмосферой, км^-1;

-коэффициент различимости (соотношение «сигнал/шум»);

- постоянная Больцмана;

- температура измерения собственных шумов приемника;

- коэффициент шума приемника;

- длина волны излучения, м.

Показатель ослабления, в свою очередь, состоит из нескольких составляющих: показатели ослабления газовыми (O₂) и аэрозольными компонентами атмосферы (включая туманы и облака), водяным паром и гидрометеорами.

Ослабление кислородом и водяным паром учитывалось по данным [3] и [4]. Расчет ослабления волн в аэрозольных и капельных структурах осуществлялся по теории Ми, для чего были найдены комплексные показатели преломления воды для рассматриваемых волн [5].

Таблица 1 - Комплексные показатели преломления воды для радиоволн

Основные параметры сопоставляемых локаторов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры модельных РЛС

Таким образом, РЛС с длиной волны при работе в вакууме имеет перед «собратьями» серьезное преимущество за счет более узкой диаграммы направленности, однако в реальной атмосфере картина иная (рисунки 2, 3).

аб

Рисунок 2 - Зависимость частости обнаружения объекта с ЭПР = 1 м² в газовой атмосфере (H₂O и O₂) от дальности для РЛС с различной длиной волны (а) - ; (б) - . Трасса - приземная, горизонтальная.

аб

Рисунок 3 - Зависимость частости обнаружения объекта с ЭПР = 1 м² в газовой атмосфере (H₂O и O₂) от дальности для РЛС с различной длиной волны (а) - ; (б) - . Трасса - приземная, горизонтальная.

Атмосферные газы сильнее всего ограничивают дальность действия коротковолновых локаторов, причем в наибольшей степени во влажных зонах (Батуми), хотя в целом в чистой атмосфере локатор вполне работоспособен и обеспечивает дальности действия не менее 16 км. На локаторы и газовая атмосфера влияния практически не оказывает.

Рассмотрим теперь как выглядит всепогодность локаторов при полном наборе метеофакторов на горизонтальных (рисунки 4а, 5а) и наклонных (рис. 4б, 5б) трассах.

аб

Рисунок 4 - Всепогодность РЛС с длиной волны в функции дальности для горизонтальной приземной (а) и наклонной ( к горизонту) трассы (б)

аб

Рисунок 5 - Всепогодность РЛС с длиной волны в функции дальности для горизонтальной приземной (а) и наклонной ( к горизонту) трассы (б)

Для локаторов и она остается практически такой же, как и в газовой атмосфере (см. рисунок 3). Появление дождей и туманов снижает минимальную дальность действия терагерцевого локатора (3 мм) до 6 км и в целом на начальных дальностях всепогодность падает примерно на 10 % по сравнению с газовой атмосферой.

При наклоне трассы (рисунки 4б,5б) всепогодность заметно улучшается, хотя минимальная дальность действия (при ) остается такой же (около 7 км). Причиной чему являются сильные ливневые дожди в Батуми, сильные туманы и осадки в холодном и умеренном климате. Улучшение всепогодности на других участках кривой объясняется убыванием концентрации H₂O и O₂ с высотой и уменьшением оптической толщи туманов, облаков и осадков для наклонной трассы. Адвективные туманы, как известно, имеют толщу не более 500 м от поверхности суши или моря, при протяженности до 1000 км.

Литература

1. Е.Н. Семашкин, Т.В. Артюшкина, Т.В. Гарбузова. Всепогодность телевизионных и тепловизионных (3 - 5 и 8 - 12 мкм) каналов наблюдения в различных климатических зонах. Международная конференция «Прикладная оптика - 2014», Санкт-Петербург, 2014.

2. А.Г. Шипунов, Е.Н. Семашкин. Всепогодность радиолокационных и тепловизионных каналов наведения комплексов ПВО. М., Машиностроение, 2013.

3. Van Vlek J.H.: The Absorption of Microwaves by Oxygen // Phis. Rev. - April, 1947. -V. 71. - P. 413 - 424.

4. Van Vlek J.H. The Absorption of Microwaves by Uncondensed Water Vapor // Phis. Rev. - April, 1947. - V. 71. - P. 425 - 433.

5. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. - М.: Иностр. лит., 1961. - 535 с.

Размещено на Allbest.ru