23 июля 2014

Радиолокация

В статье рассмотрены вопросы, касающиеся интерпретации и использования данных, поступающих от радиолокационной станции.

Освещение надводной обстановки на судне является обязанностью оператора радиолокационной станции. Поэтому понимание предоставляемой информации и возможность применения этих сведений на практике в части, касающейся осуществления безопасности мореплавания, является основой его служебной деятельности. С учетом этих факторов оператор должен не только правильно интерпретировать и использовать снимающуюся с индикатора информацию, но и понимать возможности и физику действия непосредственно радиолокации, радиолокационной станции.

Основой правильной интерпретации информации оператором РЛС является сравнение отображаемых данных на мониторе радара и фактических явлений, связанных с этой индикацией. Атмосферные явления, эфирные помехи, объект, засветка от других факторов — все это необходимо учитывать. Сравнение визуальной картинки с надводной обстановкой и сведениями, поступающими посредством технического сбора РЛС, предоставит оператору самое верное восприятие информации от радара. Лучше всего отображение объектов производить в условиях хорошей видимости, для возможности последующей их классификации только по отраженному сигналу.

Основные функции РЛС

Радиолокационная станция предназначена для:

  • освещения надводной обстановки, 
  • индикации окружающих в зоне видимости радара целей, их элементов движения, возможных габаритов, скорости, курса, пеленга до них, дистанции и изменения данных параметров,
  • отображения элементов систем навигационной обстановки, буев и ограждений; береговой линии; гидротехнических сооружений; средств радиотехнического распознавания; выпадения осадков; плавающих и других объектов. 

РЛС также может быть использована в навигационных целях при определении места по пеленгу и дистанции до приметных точек, с исчислением их на навигационной карте.

Физика радиолокации

Электромагнитное излучение в исходящем посыле радиолокационной станции зависит от внешних факторов воздействия среды (атмосферы) и геометрии его распространения (по прямой). Это делает невозможным обнаружение объектов, находящихся за зрительным горизонтом от точки установки радара. При идеальных условиях распространения луча, когда отсутствует влияние внешних факторов на излучение и уровень затухания принят за 0, существует формула подсчета:

01.png

Метрическая система измерения.

В памятке оператору радиолокационной станции зачастую для упрощения расчета дальности обнаружения приводится схема, где по высоте антенны судового радара можно определить или дальность обнаруживаемой цели, или ее высоту по дальности. Зачастую в условиях открытого моря и работы с судами имеют место ошибочные подсчеты в связи с расчетом высоты цели от ватерлинии до антенны, но рассеиваемая площадь антенн судна минимальна и сигнал начинает отражаться от непосредственно мачты или верхней крыши цели. Данное обстоятельство необходимо принимать к приведенным расчетам.

02.pngВышеприведенный фактор справедлив и к остальным целям. Необходимо помнить принцип распространения сигнала от радара: распространяется он конусом, соответственно, имеет мертвую зону, дальность которой зависит от рельефа местности в зоне работы РЛС, местонахождения самой станции, её высоты, угла посыла импульса и технических параметров РЛС. В идеальных условиях на прямой местности исходя из принципов тригонометрии дальность равна произведению высоты местонахождения антенны РЛС на косинус угла 90° – ½ угла излучения РЛС.

Суда, способные выйти на глиссер, изменяют свою горизонтальную плоскость работы и увеличивают угол мертвой зоны. Для уменьшения данного эффекта на таких судах используются элементы силового крепежа под углом, которые при рабочем ходе судна на глиссере выводят радар в плоскость, параллельную воде, тем самым возвращая работу РЛС в нормальный режим.

04.1.png

На этом примере данная установка радара представлена в действии: когда судно вышло на глиссер, радар остался в плоскости, параллельной плоскости земли.

Но мертвая зона характеризуется не только дальностью прихода луча к поверхности земли, но и отражающими свойствами и материалом поверхности. Ряд структур имеют свойство поглощать радиоволны, что делает их незаметными для РЛС, на этих принципах основывается производство судов «стелс». В данном случае оператор должен понимать, что при пологой береговой черте и интенсивном подъеме в глубине берега, с большей вероятностью отражение и прорисовка на мониторе РЛС будут иметь непосредственно самовозвышение, а не прилегающие к акватории берега. Это необходимо учитывать и штурману, и судоводителю и оператору, тем самым, пользуясь навигационными картами и лоциями, а также визуальным наблюдением, характеризовать береговую черту, основываясь на показания из нескольких источников.

Шумоподавление

При работе с радиолокационными станциями оператор неоднократно сталкивается с помехами и использует фильтры для их устранения. В большинстве случаев помехи, при исправно рабочем радаре, бывают от волнения моря и от различных атмосферных осадков.

Волны

В прохладную погоду акватория может подвергаться большому волнению, которое будет отображаться на радиолокационной станции как береговая черта или отдельные возникающие цели, так как вода обладает отражающими свойствами. При увеличении шумоподавления общая рябь будет убрана, но тогда реальные объекты (маленькие суда или навигационные знаки), по размеру не превышающие волны, также не будут отображаться на мониторе радара. Данный фактор необходимо учитывать с усилением визуального наблюдения.

Атмосферные осадки

При атмосферных осадках возможность пользоваться шумоподавлением также остается, но тут вступает в силу принцип поглощения сигнала водой, и объекты, находящиеся за стеной осадков, могут быть не видны из-за ослабления сигнала водной завесой и снятия чувствительности с приемника РЛС шумоподавлением.

Сами осадки между собой могут отличаться: град, снег, дождь, морось; соответственно, их отображение тоже различается. Чем интенсивнее воздушная пелена, тем больше осадки похожи на береговую черту. Опытный оператор может установить уровень и тип осадков по отображению индикации на дисплее РЛС. В современных радарах чувствительность и возможность индикации при цифровой обработке повышены, что снижает влияние атмосферных помех и волнения на индикацию надводной обстановки.

Рабочие частоты

Судовые радиолокационные станции могут производить излучение сигнала в двух частотных диапазонах:

  • X-band — это частотный диапазон в сантиметровых длинах волн от 3,75 до 2,5 см, что составляет 8-12 ГГц;
  • S-band — это частотный диапазон, который простирается от 7,5- до 15-сантиметровых волн и соответствует 2-4 ГГц. В связи с данной физикой распространения волн, в условиях интенсивных атмосферных осадков, радиолокационные станции, излучающие сигнал в S диапазоне, дают более чёткое освещение надводной обстановки.

В нашем каталоге представлены радары X-диапазона и S-диапазона от ведущих мировых производителей морской электроники.

Для радиолокационных станций обоих диапазонов различают разрешающие способности, которые могут зависеть от угла и от дальности. 

Разрешающая способность по азимуту характеризует возможность отображения на дисплее РЛС двух располагающихся близко целей как двух разных объектов при равной удаленности этих точек от антенны РЛС. Данная способность зависит от длины приемной части антенны и от длины волны излучения, при этом чем больше антенная часть, тем данная способность будет лучше. В связи с этим есть требование резолюции ИМО, которая обязывает все судовые РЛС обеспечивать разрешающей способностью по азимуту лучше, чем 2,5°. 

Так как зависимость прямо пропорциональна длине антенной части и обратно пропорциональна длине волны, то выведены соотношения длины антенной части и излучающего диапазона. Так, для РЛС, работающих в X-диапазоне, длина излучающей части антенны должна составлять не менее 120 сантиметров, а для S-диапазона — уже порядка 360 сантиметров. Это усложняет использование радаров S-диапазона на небольших судах, где большая антенная часть радара не будет уместна.

Измерения

  • Разрешающая способность по дальности индикации — это возможность отображать на дисплее радара от двух объектов, находящихся на одном пеленге к приемному устройству, но на разной дистанции. Эта возможность характеризует работу РЛС в условиях интенсивного судоходства, в стесненных условиях узкости и других вариантах использования, когда информация об обстановке имеет непосредственные изменения в течение короткого времени и зависит на принятие решения судоводителем. В связи с этим длительность импульса может быть изменена оператором для получения более полной картины, при этом теряется дальность.
  • Так же как и разрешающая способность по дальности, угловая характеристика радиолокационной станции — это точность определения пеленга. Она тоже зависит от ширины радиолокационного излучения. 
  • Пеленг на цель — это угол между плоскостью меридиана наблюдателя и вертикальной плоскостью, проходящей через точку наблюдения и наблюдаемый объект.

Тем самым точность измерения зависит не только от верности измерения угла на объект, но и от правильности юстировки радара относительно диаметральной плоскости судна. Юстировка проводится в срок, указанный по регламенту технического обслуживания на каждую РЛС в отдельности.

50.jpgДальность до цели определяется по индикации на мониторе. В большинстве РЛС используются два вида колец дальности, которые отображают окружность, где радиус — от расположения радиолокационной станции до метрической отметки. Как правило, используется несколько неподвижных колец дальности с шагом в несколько миль, давая оценочную обстановку по дальности, с более точным подвижным кольцом, которое путем органов управления можно подвести до отметки цели с индикацией дальности кольца на одной из рабочих областей дисплея. Это позволит насколько возможно точно определить местонахождение цели. 

Дальность вкупе с пеленгом дает полную информацию по объекту, а их изменения по времени также информируют оператора об элементах движения цели. По точкам с изначальной дальностью и пеленгом и последующими их изменениями, где каждой точке присваивается свое значение, возможно построить вектор скорости и рассчитать предполагаемое месторасположение цели через определенный промежуток времени, с учетом неизменных параметров ЭДЦ.

Минимальный диапазон дальности и мертвая зона имеют между собой принципиальное различие, хотя и характерны по схожести индикации. Минимальный диапазон обозначает отсутствие сливания цели и судна, на котором работает радар. При разном использовании параметров дальности, данная характеристика разная. При этом также основным фактором будет излучающая способность цели, и чем она будет больше, тем соответствующий диапазон — меньше. У ИМО есть требования к минимальному диапазону дальности: в соответствии с резолюцией MSC.192(79) цель с отражающей поверхностью 10 м2 должна отображаться на дисплее на дистанции не менее 40 метров. Все радиолокационные станции, одобренные регистром (Российским речным регистром, Российским морским регистром судоходства и другими) удовлетворяют этому требованию. Для максимального уменьшения данного параметра необходимо на шкале индикации использовать как можно меньшую шкалу дальности.

Ложные сигналы

Несмотря на современные технологии, использующиеся в радиолокационных станциях, существует вероятность индикации ложных сигналов на мониторе. Многие из них возникают из-за состояния среды распространения радиоволн, но многие — по другим параметрам, которые можно и нужно предусмотреть.

Работа нескольких РЛС в одном частотном диапазоне

В портах, узкостях и местах интенсивного судоходства возникает ситуация работы нескольких радиолокационных станций в одном частотном диапазоне, что приводит к приему сигнала, излучаемого другой РЛС. Это отображается в виде последовательного расположения точек на дисплее, которые появляются в разных местах экрана, и так как они дублируют посыл другого радара, то могут быть легко распознаны своей геометрической правильностью построения. Данная проблема решается сменой частоты работы радиолокационной станции.

Мнимое изображение

Один из видов ложных сигналов — это мнимое изображение или зеркальное изображение. Данный эффект достигается при наличии в непосредственной близости от действия радиолокационной станции крупного экранирующего объекта, будь то мост, гидротехническое сооружение или крупное судно. При отражении сигнала от цели электромагнитные волны распространяются в разные стороны, и, достигнув крупный объект («зеркало»), отражаются снова. При этом отражение поменяет пеленг, так как придет с направления на объект, и дальность, так как фактическое расстояние пройденной волны будет равно сумме от РЛС до цели, от цели до объекта и от объекта обратно к РЛС; данную дальность и воспримет радар как верную. Опытный оператор РЛС учитывает местонахождение крупных объектов, способных отражать сигнал, и принимает мнимый сигнал за ложный, не обозначая его целью.

Отражения от объекта лучей «боковых лепестков»

Также к ложным сигналам относятся отражения от объекта лучей «боковых лепестков». Данный сигнал слабее и отображается на том же расстоянии, что и истинная цель, но по другому пеленгу. Как правило, при уменьшении усиления или увеличении шумоподавления, такая эхолокация пропадает и не принимается за цель.

Многократно отраженные эхосигналы от одной цели

Также к отражению несколько раз от одной цели относятся многократно отраженные эхосигналы от одной цели. Данный эффект возникает при близком расположении цели и своего судна. Тогда при посыле эхосигнал отражается от цели и воспринимается РЛС. При этом отраженные лучи также повторно отражаются и от своего борта, который тоже имеет отражаемую поверхность, тем самым генерируя новый посыл сигнала в сторону цели, который, в свою очередь, снова отражается. И так может происходить несколько раз. На дисплее радара происходит отображение примерно на одном расстоянии, на одном пеленге уменьшающихся целей. Дальность до каждой цели равна дальности отстояния судов между собой. Данный лжесигнал возможно учесть при визуальном обнаружении цели. Или учесть при появлении эффекта множественных сигналов на одном пеленге, равноудаленных друг от друга с затуханием полезной индикации.

Теневые зоны

Кроме ложных сигналов, оператору необходимо учитывать возможные теневые зоны. Данный фактор опасен слепым сектором, по которому цели не индицируются на мониторе, но могут и вызывать интерес со стороны штурмана и судоводителя, и представлять опасность. Данное явление возникает при расположении на пусти сигнала крупных объектов, «загораживающих» пространство для радара. Как правило, слепой сектор возникает при непосредственном расположении антенны радара рядом с мачтой или другим объектом.

Теневую зону необходимо принять к расчетам и вести там другие виды наблюдения. При монтаже радарной антенны необходимо избегать возникновения данного эффекта, за этим следит инспекция и при составлении проекта данный фактор учитывается как один из основополагающих при выборе места размещения антенны. На судах, где владелец или капитан сам выбирает место для монтажа радарной антенны, необходимо принять данный фактор к учету. Может использоваться элемент силового крепежа или постамент для поднятия антенны над выступающими частями, тем самым устранив их негативное влияние на работу радиолокационной станции.

Сигналы от других устройств

Также необходимо принять во внимание отраженные сигналы иных средств, таких как, например, радиолокационный ответчик. РЛО является необходимым оборудованием на судне по требованию ИМО для обеспечения ГМССБ (глобальной морской системы спасения при бедствии). Ответчик при попадании в воду в случае бедствия судна начинает работать как радиолокационная станция и подавать сигнал в диапазон 9 ГГц. Сигналы посылаются разного уровня и с разной длительностью, тем самым отображаясь на мониторе как ряд последовательных сигналов на одном пеленге с уменьшением интенсивности. Тем самым проходящее судно, или судно-спасатель, или самолет-спасатель может верно выбрать пеленг излучения и в кратчайшие сроки прибыть к месту бедствия.


05.pngНа данном примере хорошо отражена индикация на дисплее радара: цели, объекты СНО, береговая черта, возвышенности в глубине берега и следы за целями. 
06.pngА на данном примере показано, насколько монитор радиолокационной станции может быть информативен и какое количество информации оператору необходимо анализировать и давать рапорт судоводителю о надводной обстановке, при этом с увеличением опыта работы время отклика должно уменьшаться.