МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Красноярский Государственный Технический Университет

Теоретические основы радиолокации

Учебное пособие

Красноярск 2006г.

Учебное пособие «Теоретические Основы Радиолокации» подготовлено для студентов радиотехнических специальностей. Основу учебного материала составляют положения пространственно-временной обработки сигналов. В пособии представлены методы и устройства обработки сигналов в средствах первичной и вторичной радиолокации. Раскрыты алгоритмы первичной, вторичной и третичной обработки информации. Рассмотрены способы обработки в условия воздействия различных помех.

Учебное пособие подготовили: к. т. н., доцент Богомолов Н.П.

к. т. н., доцент Филимонов Н.П.

ВВЕДЕНИЕ

Радиолокация - область радиоэлектроники, обеспечивающая получение сведений об объектах за счет приема и анализа радиоволн. В зависимости от характера применения радиолокации объекты могут быть: аэродинамическими, баллистическими (космическими), наземными (надводными); возможны объек­ты природного происхождения (облака, стаи птиц, дискретные пассивные по­мехи и другие).

Технические средства получения информации о различных объектах на­зывают средствами радиолокации (СРЛ).

Радиолокационная информация (РЛИ) - совокупность сведений об объек­тах, получаемых средствами радиолокации.

Процесс получения информации с помощью СРЛ целесообразно разделить на следующие этапы:

- обнаружение объектов;

- измерение координат и параметров движения;

- разрешение;

- распознавание.

Обнаружение состоит в принятии решения о наличии или отсутствии це­ли в каждом выделенном участке пространства с минимально допустимыми ве­роятностями ошибочных решений.

Измерение сводится к выработке оценок координат и параметров движе­ния объектов с минимально допустимыми погрешностями. При использовании сферической системы координат обычно измеряют дальность до объекта Д, его азимут β и угол места ε (рис. 1).

Разрешение состоит в выполнении задач обнаружения и измерения пара­метров произвольного объекта при наличии других, кроме выбранного для на­блюдения. Различают разрешение объектов по дальности, угловым координа­там, скорости и т.д. Разрешающую способность по координатам характеризуют элементарным объемом (рис. 2), который носит название разрешаемого объема.

Распознавание заключается в установлении принадлежности разрешаемо­го объекта к определенному классу. Распознавание осуществляется за счет раз­личий сигналов от объектов (энергетических, пространственных, временных, спектральных, поляризационных, статистических).

Глава I Пространственно-временная обработка радиолокационной информации

1.1. Принципы получения радиолокационной информации

Получение радиолокационной информации базируется на следующих ос­новных принципах.

1. Информация получается путем возмущения среды распространения различ­ными объектами, в частности за счет излучения объектом радиоволн.

2. Для получения необходимой информации учитываются и используются ре­альные закономерности распространения радиоволн в пространстве.

3. Выделение слабых сигналов, приходящих от объектов, и разрешение объек­тов обеспечивается за счет различий сигналов и помех, а также сигналов от разных объектов между собой.

4. Информация об объектах получается параллельно или последовательно во времени и выдается в виде информационных потоков.

Далее рассмотрим более подробно перечисленное выше.

К видам излучения относятся: вторичное излучение, переизлучение и собственное излучение радиоволн. В первых двух случаях радиолокатор излу­чает в направлении на объект мощный сигнал (зондирующий сигнал); в по­следнем случае облучения объекта не требуется. Радиолокация с использовани­ем вторичного излучения и переизлучения называется активной, а радиолока­ция с использованием собственного излучения - пассивной.

Радиолокация с пассивным ответом основана на том, что радиолокацион­ная станция (РЛС) излучает электромагнитные колебания, которые отражаются от объекта и попадают в приемник в виде отраженного сигнала. Важным требо­ванием к объектам в этом случае является отличие их отражающих свойств от отражающих свойств окружающей среды. Явление вторичного излучения по­зволяет обнаружить объекты, не являющиеся источниками собственных радио­излучений или переизлучений (рис. 1.1, а).

Радиолокация с активным ответом (рис. 1.1, б), именуемая иногда как вторичная радиолокация (в первом случае радиолокация первичная), характеризуется тем, что ответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специальных средств (ответчики - ретрансляторы). При этом зна­чительно повышается дальность и контрастность радиолокационного наблюде­ния, улучшается помехоустойчивость. Данный метод широко применяется для определения государственной принадлежности воздушных судов (с помощью специальных кодов). В гражданской авиации метод активного ответа использу­ется весьма широко, так как с его помощью можно получить много дополни­тельной полетной информации (номер борта, высота полета и др.).

Системы активной радиолокации могут быть совмещенными и разнесен­ными. В совмещенном радиолокаторе передающее и приемное устройство рас­полагаются совместно, при этом возможно поочередное использование одной и той же антенны на передачу и прием.

В разнесенной системе передающее и приемное устройства располагают­ся на определенном удалении друг от друга.

Пассивная радиолокация основана на приеме собственного радиоизлуче­ния объектов (рис. 1.1, в). Электромагнитные колебания создаются элементами объекта: его нагретыми частями (тепловое излучение в диапазоне инфракрас­ных или миллиметровых волн), радиотехническими устройствами связи, нави­гации, локации, радиопротиводействия, а также колеблющимися частицами ио­низированных участков атмосферы в окрестности объекта. Прием может осу­ществляться одним или несколькими разнесенными приемными устройствами.

При определении координат воздушных объектов в любой радиолокаци­онной системе используются определенные закономерности распространения радиоволн. Ограничимся случаем распространения радиоволн в свободном пространстве, которое является однородным, изотропным и недиспергирующим. Для всех точек такого пространства скорость распространения радиоволн одинакова, не зависит от поляризации волны и частоты колебаний (c=3*10⁸ м/сек). При этом зондирующий и отраженный сигналы распростра­няются по прямолинейной траектории и без искажения своей формы. Время запаздывания Г₃ отраженного сигнала относительно зондирующего (рис. 1.2) для разнесенной системы определяется соотношением

Концентрация излучаемой энергии в ка­ком-то одном направлении и направленный прием обеспечивают существенное увеличение дальности радиолокации. Появляется возможность измерять угло­вые координаты воздушных объектов - азимут и угол места, например, по мак­симуму отраженного сигнала, а также разрешать объекты по угловым коорди­натам (рис. 1.3).

Ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора определяется со­отношением ее геометрических размеров к длине волны. Поэтому высокие на­правленные свойства обеспечиваются за счет увеличения размеров антенны и использования дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.

Даже при остронаправленном облучении объекта от его поверхности от­ражается незначительная часть излучаемой энергии. Еще в большей степени рассеяние энергии проявляется на пути от объекта до приемной антенны в силу слабой направленности вторичного излучения. Приходящие сигналы, особенно на больших дальностях, оказываются слабыми и необходимо принимать меры для их выделения на фоне помех и шумов. К числу таких мер относятся: увели­чение средней мощности сигналов передатчиков, габаритов антенн, примене­ние малошумящих приемников. Должна предусматриваться такая обработка смеси слабых сигналов и помех, при которой обеспечивается наилучшее ис­пользование взаимных различий сигнала и помех.

Большинство современных радиолокаторов формируют поток информа­ции об объектах в участке пространства, содержащем большое число разре­шаемых объемов. При этом могут использоваться принципы последовательно­го, параллельного или параллельно-последовательного составления потока ин­формации.

Принцип последовательного обнаружения объектов радиолокатором с лучом игольчатого типа наглядно изображен на рис. 1.4. Закон перемещения луча может быть различным, например, по спирали.

Путем создания пучка игольчатых лучей (рис. 1.5) реализуется принцип параллельного получения нескольких потоков информации. Каждому из лучей необходим свой приемник.

Если по одной из угловых координат (углу места) поток информации по­лучается параллельно, а по другой (азимуту) - последовательно, имеет место параллельно-последовательное составление потока информации.

Последовательные, параллельные и параллельно-последовательные пото­ки информации могут быть образованы также с помощью двух и более разде­ленных радиолокаторов. Например, радиодальномеры с диаграммой, изобра­женной на рис. 1.6 сплошной линией, образуют последовательный поток ин­формации об азимуте объектов. Специальные радиолокаторы (высотомеры) с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости (пунктир на рис. 1.6) производят последовательный обзор по углу места и определяют высо­ту объектов на тех азимутах, где они обнаружены дальномером.

Для объединение и обработки информации нескольких радиолокаторов могут создаваться радиолокационные узлы (рис. 1.7). Несколько радиолокаци­онных узлов, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему (рис. 1.8).

Средства радиолокации широко используются для решения задач радио­навигации, связанных с определением местоположения воздушных судов и других движущихся объектов. На рис. 1.9 изображено местоположение объекта Ц в пространстве, которое может быть отображено в сферической системе ко­ординат (D, β, ε) либо в цилиндрической системе координат (D_г,β, Н).

На рисунке обозначено: D - наклонная дальность (или просто дальность); Dp -горизонтальная дальность; ft - азимут (угол между направлением на север и проекцией направления на объект в горизонтальной плоскости, отсчитываемой по часовой стрелке); £ - угол места (угол между проекцией направления на объект в горизонтальной плоскости и направлением на объект); Н - высота объекта.

Для радиолокации характерно, что весь процесс определения координат производится из одной точки (на рисунке точка О). Исключение составляют разнесенные радиолокационные системы. Непосредственно определяемыми координатами являются D, Д е. При этом можно считать, что объект Ц распо­ложен в точке пересечения трех поверхностей: сферы радиусом D и двух плос­костей (вертикальной, проходящей через точку Ц и наклонной, расположенной под углом s к горизонту). Эти поверхности являются геометрическим местом точек пространства, в которых данный измеряемый параметр постоянен, и на­зываются поверхностями положения. В навигации используются следующие методы определения местоположения объектов: дальномерный, основанный на измерении дальностей от двух различных точек (линия положения - окружно­сти); угломерный (пеленгационный), когда пеленгаторы, расположенные в раз­личных точках, определяют направления (линии положения - прямые); дальномерно-угломерный; разностно-дальномерный, когда измеряется разность расстояний от двух точек (линии положения - гиперболы) и др.