Dağınıklık (radar) - Clutter (radar)

Dağınıklık , elektronik sistemlerde, özellikle radarlarda istenmeyen yankılar için kullanılan bir terimdir . Bu tür yankılar tipik olarak karadan, denizden, yağmurdan, hayvanlardan/böceklerden, saman ve atmosferik türbülanslardan geri döner ve radar sistemlerinde ciddi performans sorunlarına neden olabilir.

Geri saçılım katsayısı

Bir kişinin dağınıklık olarak gördüğü şeyi, bir diğeri hedef olarak görebilir. Bununla birlikte, hedefler genellikle nokta saçıcılara ve dağınıklık genişletilmiş saçıcılara (birçok menzil, açı ve Doppler hücresini kapsayan) atıfta bulunur. Dağınıklık bir hacmi doldurabilir (yağmur gibi) veya bir yüzeyle (toprak gibi) sınırlı olabilir. Prensipte, bir dağınıklık bölgesinden radar dönüşünü (geri saçılım) tahmin etmek için gereken tek şey, aydınlatılan hacim veya yüzey ve birim hacim başına η veya birim yüzey alanı başına σ° (geri saçılma katsayısı) hakkında bilgi sahibi olmaktır. ).

Dağınıklık sınırlı veya gürültü sınırlı radar

Olası herhangi bir dağınıklığa ek olarak, her zaman gürültü de olacaktır. Hedef dönüşle rekabet eden toplam sinyal bu nedenle dağınıklık artı gürültüdür. Pratikte genellikle ya hiçbir dağınıklık yoktur ya da dağınıklık hakimdir ve gürültü göz ardı edilebilir. İlk durumda radarın Gürültü Sınırlı, ikinci durumda ise Clutter Sınırlı olduğu söylenir.

Hacim dağınıklığı

Yağmur, dolu, kar ve saman , hacim dağınıklığına örnektir. Örneğin, menzildeki havadaki bir hedefin bir yağmur fırtınası içinde olduğunu varsayalım . Hedefin tespit edilebilirliği üzerindeki etkisi nedir? ${\görüntüleme stili R}$

İlk önce dağınıklığın geri dönüşünün büyüklüğünü bulun. Dağınıklığın hedefi içeren hücreyi doldurduğunu, saçıcıların istatistiksel olarak bağımsız olduğunu ve saçıcıların hacim boyunca düzgün bir şekilde dağıldığını varsayın . Bir darbe tarafından aydınlatılan dağınıklık hacmi, ışın genişliklerinden ve darbe süresinden hesaplanabilir, Şekil 1. Eğer c ışık hızı ve iletilen darbenin zaman süresi ise, hedeften dönen darbe fiziksel bir darbeye eşdeğerdir. ölçüde c olarak yığılmayı herhangi bir bireysel elemandan dönüş. Azimut ve yükseklik ° bant genişliğine, bir mesafeden , olan ve sırası ile aydınlatılmış hücre eliptik bir enine kesite sahip olduğu varsayılır. ${\görüntüleme stili\tau }$${\görüntüleme stili\tau }$${\görüntüleme stili R}$${\görüntüleme stili \teta/2}$${\görüntüleme stili\phi /2}$

Aydınlatılmış hücrenin hacmi şu şekildedir:

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

Küçük açılar için bu şunları kolaylaştırır:

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

Dağınıklığın, hedefi içeren hücreyi düzgün bir şekilde dolduran çok sayıda bağımsız saçıcı olduğu varsayılır. Hacimden dağınıklık dönüşü, normal radar denklemi için olduğu gibi hesaplanır, ancak radar kesiti , yukarıda türetilen hacim geri saçılım katsayısı ve dağınıklık hücresi hacminin çarpımı ile değiştirilir . Dağınıklık dönüşü daha sonra ${\görüntüleme stili \eta }$

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

nerede

• ${\görüntüleme stili P_{t}}$ = verici gücü (Watt)
• ${\görüntüleme stili G_{t}}$= verici antenin kazancı
• ${\ Displaystyle A_{r}}$= alıcı antenin etkin açıklığı (alanı)
• ${\görüntüleme stili R}$ = radardan hedefe olan mesafe

Dağınıklığın aydınlatmasının hüzme genişliği boyunca üniform olmadığı gerçeğine izin vermek için bir düzeltme yapılmalıdır. Pratikte ışın şekli, kendisi bir Gauss fonksiyonuna yaklaşan bir sinüs fonksiyonuna yaklaşacaktır . Düzeltme faktörü, antenin Gauss yaklaşımının ışın genişliği boyunca entegre edilmesiyle bulunur . Düzeltilmiş geri saçılmış güç

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

Bir dizi basitleştirici ikame yapılabilir. Alıcı anten açıklığı, kazancıyla şu şekilde ilişkilidir:

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

ve anten kazancı iki huzme genişliği ile şu şekilde ilişkilidir:

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

Aynı anten genellikle hem iletim hem de alım için kullanılır, dolayısıyla alınan dağınıklık gücü:

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

Dağınıklık Geri Dönüş Gücü, Sistem Gürültü Gücünden büyükse, Radar dağınıklık sınırlıdır ve hedefin tespit edilebilmesi için Sinyal/Karışıklık Oranı Minimum Sinyal/Gürültü Oranına eşit veya bundan büyük olmalıdır.

Gönderen radar denklemi kendisi olacaktır hedeften geri dönüşünü

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

sinyal / dağınıklık oranı için elde edilen bir ifade ile

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

Bunun anlamı, radar gürültü sınırlı olduğunda, sinyal-gürültü oranının değişiminin ters bir dördüncü güç olduğudur. Mesafeyi yarıya indirmek, sinyal-gürültü oranının 16 kat artmasına (iyileşmesine) neden olacaktır. Ancak, radar hacim dağınıklığı sınırlı olduğunda, varyasyon ters bir kare yasadır ve mesafeyi yarıya indirmek, sinyalin dağınıklığının iyileşmesine neden olur. sadece 4 kez.

Dan beri

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

bunu takip ediyor

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

Dağınıklık hücresinin hacmini azaltarak dağınıklığın etkisini azaltmak için açıkça dar ışın genişlikleri ve kısa darbeler gereklidir. Eğer darbe sıkıştırma sonra hesaplanmasında kullanılmak üzere uygun darbe süresi kullanılan sıkıştırılmış nabız değil, gönderilen darbe olmasıdır.

Sinyal/hacim dağınıklığı oranının hesaplanmasındaki sorunlar

Hacim dağınıklığıyla, örneğin yağmurla ilgili bir problem, aydınlatılan hacmin tam olarak doldurulamamasıdır, bu durumda doldurulan kısmın bilinmesi gerekir ve saçıcılar düzgün bir şekilde dağılmayabilir. 10° yükseklikte bir kiriş düşünün. 10 km'lik bir menzilde kiriş, zemin seviyesinden 1750 metre yüksekliğe kadar kaplayabilir. Yer seviyesinde yağmur olabilir, ancak ışının tepesi bulut seviyesinin üzerinde olabilir. Kirişin yağmur içeren kısmında yağış oranı sabit olmayacaktır. Dağınıklığın ve sinyal/kargaşa oranının doğru bir şekilde değerlendirilmesi için yağmurun nasıl dağıldığının bilinmesi gerekir. Denklemden beklenebilecek tek şey, en yakın 5 veya 10 dB'lik bir tahmindir.

Yüzey dağınıklığı

Yüzey dağınıklığı dönüşü, yüzeyin doğasına, pürüzlülüğüne, otlatma açısına (ışın yüzeyle yaptığı açı), frekansa ve polarizasyona bağlıdır. Yansıyan sinyal, bazıları hareket edebilen (yapraklar, yağmur damlaları, dalgalanmalar) ve bazıları sabit olan (direkler, binalar, ağaç gövdeleri) çeşitli kaynaklardan gelen çok sayıda bireysel dönüşün fazör toplamıdır. Bireysel dağınıklık örnekleri, bir çözünürlük hücresinden diğerine değişir (uzaysal varyasyon) ve belirli bir hücre için zamana göre değişir (zamansal varyasyon).

Işın doldurma

Dünya yüzeyine yakın bir hedef için, dünya ve hedef aynı aralıktaki çözünürlük hücresinde olacak şekilde iki koşuldan biri mümkündür. En yaygın durum, ışının yüzeyi, herhangi bir zamanda aydınlatılan alanın, Şekil 2'de gösterildiği gibi ışın tarafından kesişen yüzeyin yalnızca bir kısmı olacak şekilde bir açıyla kesişmesidir.

Darbe uzunluğu sınırlı kasa

Darbe uzunluğu sınırlı durumda, aydınlatılan alan, ışının azimut genişliğine ve yüzey boyunca ölçülen darbenin uzunluğuna bağlıdır. Aydınlatılmış yama, azimutta bir genişliğe sahiptir.

${\görüntüleme stili \ 2R\tan \teta/2}$.

Yüzey boyunca ölçülen uzunluk

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

Radar tarafından aydınlatılan alan daha sonra şu şekilde verilir:

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

'Küçük' huzme genişlikleri için bu yaklaşık olarak

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

Dağınıklık dönüşü daha sonra

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

Aydınlatılmış alan için ikame ${\görüntüleme stili A}$

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

dağınıklığın geri saçılma katsayısı nerede . Dereceye dönüştürmek ve sayısal değerleri koymak ${\görüntüleme stili \sigma ^{o}}$${\görüntüleme stili \teta}$

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

Hedef dönüşün ifadesi değişmeden kalır, bu nedenle sinyal / dağınıklık oranı

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

Bu basitleştirir

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

Yüzey dağınıklığı durumunda, sinyal dağınıklığı R ile ters orantılı olarak değişir. Mesafeyi yarıya indirmek yalnızca oranın iki katına çıkmasına neden olur (iki iyileştirme faktörü).

Darbe uzunluğu sınırlı durum için dağınıklığı hesaplama sorunları

Sinyal-karışıklık oranının hesaplanmasında bir takım problemler vardır. Uzun huzmedeki dağınıklık, bir dizi sıyırma açısı boyunca uzanır ve geri saçılma katsayısı, sıyırma açısına bağlıdır. Anten yan loblarında yine bir dizi otlatma açısını içerecek ve hatta farklı bir yapıdaki dağınıklığı içerebilecek dağınıklık görünecektir .

Kiriş genişliği sınırlı kasa

Hesaplama önceki örneklere benzer, bu durumda aydınlatılan alan

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

hangi küçük ışın genişlikleri için kolaylaştırır

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

Dağınıklık dönüşü eskisi gibi

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

Aydınlatılmış alan için ikame ${\görüntüleme stili A}$

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

Bu şu şekilde basitleştirilebilir:

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

Dönüştürme derecelerde ${\görüntüleme stili \teta}$

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

Hedef dönüş değişmeden kalır, bu nedenle

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

Hangisi basitleştirir

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

Hacim Dağınıklığı durumunda olduğu gibi, Sinyal / dağınıklık oranı ters bir kare yasasını takip eder.

Yüzey dağınıklığının hesaplanmasında genel problemler

Genel olarak önemli sorun, geri saçılım katsayısının genel olarak hesaplanamaması ve ölçülmesi gerektiğidir. Sorun, farklı koşullar altında farklı bir konum için kullanılan bir dizi koşul altında bir yerde alınan ölçümlerin geçerliliğidir. Bir tahminin yapılmasını sağlayan çeşitli ampirik formüller ve grafikler mevcuttur, ancak sonuçların dikkatli kullanılması gerekir.

Dağınık katlama

Dağınık katlama , radar sistemleri tarafından görülen "dağınıklığı" tanımlamak için kullanılan bir terimdir . Dağınıklığın menzili (radar tarafından görülen) radarın darbe tekrarlama frekans aralığını aştığında ve artık yeterli dağınıklık bastırma sağlamadığında ve dağınıklık menzile "katlanır" sa, dağınıklık katlanması bir sorun haline gelir . Bu sorunun çözümü genellikle , sistem tarafından dağınıklık bastırma uygulanan aralığı artırarak, radarın her tutarlı bekleme süresine doldurma darbeleri eklemektir .

Tradeoff Bunu yapmak için dolgu darbeleri ekleyerek nedeniyle boşa verici gücü ve daha uzun kalma süresine göre, performansını düşürebilir olacaktır.

Referanslar