Фоновая радиолокация

Основные технические характеристики станций радиолокационной разведки

Основные показатели РЛС находятся в зависимости от ее технических характеристик. К ним относятся: вид и параметры зондирующих радиосигналов; способы обработки сигналов и отображения обнаруженных целей и их координат; длина волны излучаемых колебаний; мощность излучения; форма и ширина диаграммы направленности антенны, а также значения эффективной площади антенны или ее коэффициента направленного действия; способ управления диаграммой направленности и закон ее перемещения в пространстве; время облучения точечной цели; чувствительность приемного устройства.

Тип зондирующего сигнала радиолокационной системы определяет ее разрешающую способность по дальности и радиальной скорости, а также возможности обнаружения цели на фоне пассивных помех. РЛС делятся на системы с импульсным, непрерывным и квазинепрерывным излучением. Использование различных видов модуляции и форм сигналов позволяет варьировать разрешающей способностью РЛС по дальности, для обеспечения заданной точности определения координат цели и скорости ее движения, детализации рельефа местности, обеспечивать либо скрытность, либо помехозащищенность и устойчивость к средствам подавления и т.п.

У импульсных РЛС отношение периода Т _п следования импульсов к их длительности t _и, называемое скважностью Q, составляет сотни или тысячи. К их достоинствам следует отнести простоту измерения расстояний до целей и их разрешения по дальности, особенно при наличии многих целей в зоне обзора, а также практически полную временную развязку между излучаемыми и принимаемыми сигналами. Последнее обстоятельство позволяет применять одну и туже антенну для передачи и приема. Главным недостатком импульсных РЛС является необходимость использования большой пиковой мощности излучаемых колебаний, что, кстати, является основным демаскирующим признаком для средств РРТР противника. По форме сигналы импульсных РЛС могут быть некогерентными (начальные фазы сигналов изменяются от импульса к импульсу случайным образом), когерентными (начальная фаза постоянная), без внутриимпульсной модуляции и с внутриимпульсной частотной модуляцией или фазовой манипуляцией.

РЛС считают работающей в режиме непрерывного излучения, если ее передатчик излучает незатухающие колебания хотя бы на протяжении Т _обн., необходимого для обнаружения цели. Достоинства РЛС с непрерывным излучением состоит в возможности: эффективно обнаруживать цели путем их селекции по радиальной скорости, однозначно измерять радиальную скорость целей относительно РЛС в широком диапазоне ее изменения, измерять любые расстояния, а также работать при относительно малой мощности излучения, что, кстати, повышает их разведзащищенность от средств РРТР противника. Основные недостатки таких РЛС связаны с трудностями развязки приемного и передающего трактов, а также со сложностью устройств отображения информации, особенно при наблюдении за многими целями по нескольким параметрам. В РЛС с непрерывным излучением могут использоваться гармонические, амплитудно - и частотно-модулированные колебания, а также шумоподобные сигналы.

Радиолокационные станции с квазинепрерывными сигналами, т.е. с импульсными сигналами малой скважности (Q»5…10), занимают промежуточное положение между импульсными РЛС и РЛС с непрерывным излучением. Квазинепрерывные сигналы обычно являются когерентными.

Обработка информации может осуществляться в несколько этапов. На первичной стадии цели могут, например, отображаться на экране ЭЛТ на посту слежения в режиме текущего времени.

Расстояние до цели будет пропорционально удалению от центра экрана ЭЛТ (при круговом обзоре) светового пятна. Пропорция обеспечивается исходя из известной скорости распространения радиоволн (соответственно отраженных сигналов), частоты развертки луча на экране ЭЛТ, соответствующей градуировкой экрана.

В этом случае по углу поворота следящего луча на экране ЭЛТ, который соответствует углу поворота (направлению излучения) антенной системы, определяется азимут g _аз цели, по месту расположения светового пятна от центра луча определяется расстояние r _х до цели, угол места g _у.м в каждый момент времени считается заданным соответствующим направлению излучающей антенны. Таким образом, имеются все необходимые параметры позволяющие определить положение цели в пространстве относительно поста слежения.

Далее может осуществляться вторичная обработка, с использованием средств ЭВТ, когда информация анализируется за несколько периодов обзора. При этом сглаживаются ошибки слежения, повышается надежность обнаружения и точность определения заданных параметров.

На следующем этапе возможна совместная обработка данных получаемых несколькими РЛС. На данной стадии приобретаются качественно новые возможности получения информации, не присущие отдельно взятым станциям. Сказанное можно пояснить на примере борьбы системы РЛС с искусственно создаваемыми с самолетов шумовыми помехами. На рисунке показаны две обзорные РЛС1 и РЛС2 и два самолета С1 и С2, которые являются поставщиками помех.

Если станции работают независимо друг от друга, то каждый поставщик помех закрывает от наблюдения отдельной РЛС сектор шириной γ _nij. Достаточно объединить отметки целей этих двух РЛС на одном индикаторе для того, чтобы закрытые помехами от наблюдения области пространства сократились до размеров заштрихованных четырехугольников.

В радиолокации основное применение находят дециметровые и сантиметровые волны. Объясняется это главным образом возможностью получить остронаправленное излучение и прием при относительно небольших размерах антенн, а также малым уровнем естественных шумов на входе приемника. Выбор более коротких волн ограничивается сильным поглощением энергии в атмосфере Земли, особенно при наличии гидрометеоров (града, снега, дождя, тумана и т.д.). Короткие волны, которые хорошо отражаются от поверхности земли и не испытывают существенного поглощения при распространении в атмосфере, используются в загоризонтальной локации.

Мощность излучения зондирующих сигналов РЛС зависит от требуемой дальности действия и может изменяться от долей ватта до десятков киловатт в режиме непрерывных колебаний и до десятков мегаватт в импульсном режиме. Применительно к импульсным сигналам говорят об импульсной мощности Р _и, понимая под ней пиковое значение мощности в импульсе, и о средней мощности Р _ср за период Т _п следования импульсов:

где τ _и – длительность импульсов на нулевом уровне; α – коэффициент, зависящий от формы импульсов (для импульсов прямоугольной формы α = 1, для одного полпериода синусоиды α = 0,5, для импульсов треугольной формы α = 0,33).

В РЛС используются антенны направленного действия. Различают диаграммы направленности F (γ _аз. и γ _у.м.) игольчатые, ширина основного лепестка которых (или, как говорят, ширина луча РЛС) приблизительно одинакова в азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной) плоскостях, и веерные (плоские), характеризующиеся существенным различием угловых размеров в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Ширина луча в соответствующей плоскости определяет потенциальную разрешающую способность РЛС по угловой координате. Для диаграмм направленности имеющих осевую или плоскую симметрию, ширина их основного лепестка в градусах по уровню половинной мощности оценивается соотношением:

где α – линейный размер раскрыва антенны в соответствующей плоскости; β – коэффициент, значения которого могут лежать в пределах приблизительно от 50 до 100 в зависимости от распределения поля в раскрыве антенны при работе на излучение.

Если Θ˚ _{0,5 аз}. и Θ˚ _{0,5 у.м.} – значения ширины луча в градусах в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то максимальное значение коэффициента направленного действия антенны приблизительно равно:

.

Когда задан телесный угол Г луча РЛС, D_а ≈ 4π/Г. Максимальное значение эффективной площади антенны, А_э = К_эА, где К э - коэффициент использования площади раскрыва, значения которого могут изменятся от 1 до 0,5 в зависимости от распределения поля в раскрыве антенны при работе на излучение.

Коэффициент усиления антенны G связан с ее коэффициентом направленного действия D _а и к.п.д. антенны η формулой G = η D _а. При согласовании приемной антенны с нагрузкой,

Обзор пространства бываетодновременным, последовательным и смешанным.

Одновременный обзор осуществляется несколькими неподвижными лучами, перекрывающими требуемый телесный угол зоны обзора Г. Если телесный угол i -го луча равен Г _i, то:

Достоинство одновременного обзора состоит в том, что он позволяет свести к минимуму время, требующееся для обзора заданной зоны. Его недостатком является сложность и громоздкость аппаратуры.

Последовательный обзор производится одним лучом, перемещающимся в пределах зоны обзора либо по наперед заданной программе, либо по программе, изменяемой в зависимости от полученных данных о целях. При использовании плоского луча применяются круговой обзор (луч поворачивается вокруг вертикальной оси на360°) и секторный (луч поворачивается в пределах сектора Ф _аз). Наиболее употребительными видами последовательного обзора при использовании игольчатого луча являются винтовой, спиральный и строчный.

На рисунках Y _ш.л. = (0,5¸0,8) θ _0,5 – угловой шаг луча при переходе с одного участка траектории на другой.

Если время облучения точечной цели равно Т _обл, секторы обзора Ф _аз и Ф _у.м.. значение ширины луча РЛС в двух плоскостях θ _аз. и θ _у.м. максимальная дальность действия РЛС r _макс., а просматриваемый в каждом цикле обзора участок дальности D r < r _макс., то теоретически необходимое значение периодов будет:

Когда на каждый цикл обзора просматривается весь диапазон дальностей, то:

Реальное значение периода обзора в полтора-два раза превышает теоретически необходимое. Объясняется это тем, что в реальной системе обзора время облучения Т _обл не остается постоянным, а меняется в пределах от Т _{обл. мин}. до Т _{обл. макс}. При вычислении теоретически необходимого периода обзора учитывается минимально необходимое значение времени облучения, а реальное значение периода обзора определяется средним значением времени облучения.

Для перемещения диаграммы направленности антенны в пространстве можно поворачивать всю антенную систему (механическое сканирование), изменять механическим путем электрические параметры какого-либо элемента антенны (электромеханическое сканирование, например, качание плоского зеркала в двух зеркальной антенной системе изменяет направление распространения радиоволн), изменять распределение амплитуд и фаз поля в раскрыве антенны (электрическое сканирование). Электрическое сканирование осуществляется с помощью фазированных антенных решеток (ФАР), представляющих собой систему излучателей (решетку) с управляемым распределением фаз колебаний, создаваемых отдельными излучателями. ФАР имеют ряд принципиальных преимуществ перед антеннами с механическим и электромеханическим сканированием. Они позволяют: резко увеличить скорость перемещения луча в пределах зоны обзора; реализовать любой закон перемещения луча; оптимизировать диаграммы направленности, в том числе изменять форму и число одновременно используемых лучей, значительно уменьшить боковые лепестки; получать принципиально новые возможности обработки радиолокационных сигналов непосредственно в антенно-фидерном тракте (например суммирование и вычитание сигналов от групп излучателей); получать весьма большую мощность излучения путем суммирования колебаний подводимых к отдельным излучателям от большого количества маломощных генераторов.

Недостатком ФАР являются: их относительная сложность и дороговизна; трудность обеспечения работы в широком частотном диапазоне; существенная зависимость ширины луча от его положения в пространстве. Приближенно можно считать, что ширина луча изменяется по закону, где θ _мин. – минимальное значение ширины луча; g - угол между нормалью к плоскости раскрыва антенны и направлением оси луча.

Способы управления положением луча в ФАР частотный и коммутационный. Частотный когда качание луча достигается изменением частоты генератора питающего многоэлементную передающую антенну, он характеризуется более высокой помехозащищенностью против активных организованных помех, но более сложным приемным устройством, которое должно быть многоканальным для обеспечения разрешения целей по угловым координатам. Коммутационный, когда при неизменной частоте фазы колебаний, возбуждаемых в отдельных излучателях решетки, изменяются с помощью системы фазовращателей. При этом, из-за наличия фиксированных фазовых сдвигов между колебаниями отдельных излучателей решетки перемещение луча в пространстве происходит скачками в пределах зоны обзора, что может приводить к возникновению дополнительной методической ошибки измерения угловых координат целей

Смешанный обзор представляет собой комбинацию одновременного и последовательного обзоров. При смешанном обзоре используется несколько лучей, не перекрывающих полностью зону обзора. Например, из нескольких парциальных диаграмм направленности создается плоская диаграмма – широкая в вертикальной плоскости и узкая в горизонтальной. Эта диаграмма, вращаясь вокруг вертикальной оси, осуществляет круговой обзор пространства.

При работе РЛС в режиме обзора время одного облучения Т _обл точечной цели определяется с момента начала излучения радиоволн в направлении данной цели до конца приема сигналов от этой цели. Практически за время облучения принимают отрезок времени, в течение которого точечная цель находится в пределах ширины луча РЛС:

где γ –текущее значение угловой координаты цели; Ω _а (γ) – угловая скорость перемещения луча, являющаяся в общем случае функцией его углового положения; Θ _0,5- ширина луча в направлении его перемещения.

Время облучения определяет энергию полезных сигналов, накапливаемую в приемнике за одно облучение цели. Если Р _с – мощность принимаемых сигналов, то для непрерывных сигналов их энергия за время облучения равна Е _с= Р _с Т _обл. Для прямоугольного импульса с длительностью τ _и и периодом следования Т _п энергия составляет:

где N _с – число сигналов, энергия которых суммируется за время облучения.

Для обнаружения сигнала с заданными значениями вероятностей Р _пои Р _лт или измерения параметра x сигнала с заданной дисперсией ошибкив при σ² _х в присутствии шума со спектральной плотностью N ₀ необходимо обеспечить на входе приемника РЛС вполне определенное отношение полной энергии Е _с сигнала к спектральной плотности шума:

При заданных значениях параметров передатчика РЛС, характеристиках цели и условиях распространения радиоволн можно считать, что требуемое значение энергетического отношения сигнал/шум определяется выбором времени облучения цели. В реальных системах обзора время облучения меняется, например, из-за изменения угловой скорости перемещения луча при реверсивном движении. Чтобы в любой точке зоны обзора выполнялись условия надежного обнаружения целей, и измерения их координат с необходимой точностью нужно, чтобы R имело соответствующее приведенным формулам значение для Т _обл =(Т _обл) _мин. Естественно, что большие значения времени облучения приводят к излишнему превышению сигнала над шумом (демаскирующий признак).

Для РЛС, работающих в режиме слежения, имеет смысл говорить о времени облучения лишь в тех случаях, когда для слежения за несколькими целями используется один луч и облучение каждой цели осуществляется дискретно. В этих случаях значение отношения сигнал/шум по энергии за отдельное облучение цели должно быть достаточным для измерения координат цели или их производных с заданной точностью.

Реальную чувствительность приемного устройства определяют минимальной мощностью Р _пр.мин входного сигнала, при которой обеспечивается обнаружение сигнала или измерение его параметров с заданными показателями. Эта мощность равна:

где k – постоянная Больцмана; T ₀ – абсолютная температура приемника; ∆ f _пр - полоса пропускания линейной части приемника; k _ш - коэффициент шума приемника; t _А - относительная шумовая температура антенны; k _р - необходимое соотношение сигнал/шум по мощности (коэффициент различимости). Между величинами k _р и R имеется простая зависимость. Если принимаются сигналы длительностью τ _и, полоса пропускания приемника согласована с их длительностью (∆ f _пр ≈1/ τ _и) и для обнаружения или измерения необходима энергия N _с одиночных сигналов (Е _c = N _c E _c1), то из формул для E _с, R и P _пр.мин получим:

Реальная чувствительность радиолокационных приемников составляет 10‾¹²- 10^-16 Вт.

Реализация метода фоновой локации возможна, когда за областью лоцируемого объекта образуется и как бы проецируется на поверхность естественного фона (для наземных объектов, например, лес) так называемая теневая область перераспределенной энергии, получаемой за счет излучения, поглощения и отражения радиоволн, что и определяет возможность обнаружения малозаметных (слабоотражающих) объектов. Выделение полезного сигнала основывается на обработке энергии усредненного по времени когерентного сигнала от подстилающего фона, ограниченного площадью облучения диаграммой напрвленности антенны и промодулированного отраженным сигналом от движущегося объекта с небольшими линейными размерами в элементе разрешения по сравнению с размерами фоновой площадки. Такой метод позволяет в значительной степени упростить процесс обработки при приеме слабого сигнала, отраженного от объекта, при наличии более мощного фонового отражения и обнаруживать слабоизлучающие и медленно движущиеся объекты на фоне помех.

В основе теории фоновой локации лежит теория радиолокации с разнесенным приемом, поэтому здесь основная роль отводится физике образования эффективной площади рассеяния (ЭПР) при многопозиционном расположении приемников РЛС и обнаруживаемых объектов. Из теории электромагнитного поля известно, что если на пути распространения волн поместить абсолютно черное тело (поглощающее всю падающую на него энергию), размеры которого больше длины волны, то позади тела появится поле рассеяния (теневое поле). При этом амплитудные характеристики поля рассеяния не зависят от формы тела и определяются только его поперечным сечением.

Эффективная поверхность рассеяния такого тела при рассеянии в направлении распространения волны (вперед) определяется следующим уравнением:

где S _об – площадь поперечного сечения объекта; λ – длина волны излучения РЛС.

Следует отметить, что «теневую» ЭПР нельзя уменьшить путем применения радиопоглощающих покрытий и других специальных мер, которые эффективно снижают ЭПР объекта со стороны облучения.

Отсутствие за объектом подстилающей поверхности приводит к существенному уменьшению уровня принимаемого сигнала и возможности обнаружения движущегося объекта.

Дата добавления: 2014-01-11