Радиотехнические системы

где TОбз КР - время одного оборота антенны в горизонтальной плоскости,

βОбз - сектор обзора в вертикальной плоскости,

Θβ - ширина диаграммы в вертикальной плоскости.

Обзор по углуместа существенно увеличивает суммарное время обзора, поэтому метод используется в РЛС малой даль-

ности (30 ÷ 50 км).

Используются индикаторы: азимут - угол места; дальность - ази- мут.

8.5. Спиральный обзор пространства

Спиральный обзор похож на винтовой и отличается толь- ко сектором обзора, который прижат к оси сканирования,

2γ ≤ 90о (см. рисунок 8.9). Этот способ обзора нашел примене-

ние в самолетных локаторах, предназначенных для предупреж- дения об опасности и наведения оружия.

2γ

Рисунок 8.9. Спиральный обзор пространства

Период обзора рассчитывается по формуле, аналогичной

(8.7)

202

8.6.Параллельно-последовательный обзор пространства

Всовременных трехмерных РЛС противовоздушной обо- роны используется круговой или секторный обзор простран- ства, причем антенные системы имеют в вертикальной плос-

кости веер пересекающихся лучей для определения угла места (см. рисунок 8.10).

Рисунок 8.10. ДНА РЛС с параллельно-последовательным обзором

пространства

Многолучевые ДНА реализуются с помощью антенных решеток.

8.7. Радиолокационные станции бокового обзора с синтезированной антенной

8.7.1. Разрешающая способность панорамных РЛС

Рассмотрим РЛС обзора земной поверхности, установлен- ную на летательном аппарате и имеющую сканирующую направ- ленную антенну (панорамную РЛС). Потенциальная разреша- ющая способность по дальности в такой РЛС определяется дли- тельностью зондирующего сигнала и коэффициентом сжатия,

δ R = cτИ

2kСЖ

Разрешающая способность по азимуту приблизительно равна ширине диаграммы направленности антенны в горизон- тальной плоскости и зависит от размера антенны в этой плос-

кости L ,

203

δα = θα = λL (рад)

Детальность радиолокационного изображения земной поверхности зависит от разрешающей способности в радиаль-

ном по отношению к локатору направлении δ R а также в по- перечном по отношению к нему направлении, выраженной в

линейных единицах, δ Rτ = δθ × R (тангенциальная разрешаю-

щая способность).

Тангенциальная разрешающая способность ухудшается с увеличением дальности и при больших R становится недопус- тимо плохой.

Пусть, например, R = 100 км, L / λ = 100 . Тогда,

δ Rτ = 100×103 1001 = 1 км .

Можно улучшить тангенциальную разрешающую способ- ность уменьшением длины волны . Пределом является зависи- мость радионаблюдаемости от метеоусловий. Другой способ - применить антенну больших размеров. Но на борту скоростно- го летательного аппарата невозможно использовать вращаю- щуюся антенну очень больших размеров. На практике непод- вижные антенны больших размеров (LMAX £ 15 м) стали распо- лагать вдоль фюзеляжа самолета. Так появились РЛС бокового обзора. Однако ухудшение разрешаюшей способности δ Rτ с ростом дальности сохранилось. Положение радикально изме- нилось, когда стали применять синтезированные антенны.

8.7.2.РЛС обзора земной поверхности

ссинтезированной антенной

8.7.2.1. Принципы построения

На борту летательного аппарата устанавливается слабо- направленная антенна, осуществляющая боковой обзор про- странства. Сигналы, принятые в разных точках траектории за- поминаются и затем обрабатываются как в антенной решётке.

204

Напомним, что в обычной антенной решетке сигналы, принятые её элементами, складываются синфазно. Это обеспе- чивает максимум амплитуды суммарного сигнала. Для обеспе- чения синфазности сигналов, принятых с нужного направле- ния, в цели элементов решетки вводят управляемые фазовра- щателями (см. рисунок 8.11). Ширина диаграммы направлен- ности антенной решетки на нормали к ней определяется фор-

мулой

где L - габаритный размер решетки.

å

Рисунок 8.11. Структурная схема антенной решетки. ФВ - фазовращатели

Синтезированная антенна образуется за счет движения одного элемента, ось диаграммы направленности которого ори- ентирована перпендикулярно прямолинейной траектории по- лета (см. рисунок 8.12).

LЭ

Рисунок 8.12. Образование синтезированной антенны

РЛС излучает импульсные сигналы. Принимаемые сигна- лы запоминаются в точках траектории, отстоящих друг относи-

тельно друга на расстоянии vTП , где v - скорость полета, TП - период повторения импульсов. Запомненные сигналы сумми-

205

руются как в обычной решетке. Расстояние LЭ , на котором про-

исходит суммирование, представляет собой апертуру синтези- рованной антенны, иными словами, её эквивалентную длину.

Описанный алгоритм реализуется в структурной схеме рисунка 8.13, где ЛЗ - линия задержки с отводами через период повто-

рения импульсов TП . Суммирование сигналов осуществляется в линии задержки.

ТП ТП ТП ТП

ЛЗ

Рисунок 8.13. Структурная схема нефокусированной синтезированной

антенны

Различают нефокусированные и фокусированные синте- зированные антенны.

Структурная схема нефокусированной антенны приведе- на на рисунке 8.13. Ее особенность заключается в том, что при- нимаемые сигналы суммируются не синфазно за счет непре- рывного изменения положения целей относительно локатора.

Эквивалентная длина LЭ ограничивается такой величиной, ког-

да ещё можно считать, что сигналы суммируются в приблизи- тельно фазе (различие не более 90°), то есть когда разность рас-

стояний от РЛС до цели не превосходит λ /8 (см. рисунок 8.14).

LЭ

λ/8

R

цель

Рисунок 8.14. Эквивалентная длина нефокусированной антенны

206

Исходя из рисунка 8.14 для расчета LЭ составим уравне-

ние

Пренебрегая в правой части членом λ 2 / 64 ввиду его от- носительной малости, получим

Так как в процессе формирования диаграммы направлен-

ности синтезированной антенны сигнал проходит двойной путь междуРЛС и целью, ширина синтезированной диаграммы вдвое уже, чем определяемая по формуле (8.7) для обычной решетки,

На основании полученной формулы найдем разрешающую способность δ Rτ ,

Отметим, что разрешающая способность улучшилась по сравнению с панорамной РЛС. Теперь δ Rτ пропорциональна не R , а R .

Особенность фокусированных антенн заключается в том,

что в цепи элементов решетки вводятся фазовые сдвиги для компенсации перемещения РЛС относительно цели (см. рису-

нок 8.15).

ФВ ФВ ФВ

ТП

Рисунок 8.15. Структурная схема фокусированной синтезированной

антенны

207

Определим эквивалентную длину фокусированной антен- ны LЭ и тангенциальную разрешающую способность δ Rτ .

Пусть размер реальной антенны в горизонтальной плоско- сти равен L , ширина её диаграммы Θα = λ / L . Длина синтези-

рованной антенны равняется траектории полета, на которой локатор облучает цель. Из рисунка 8.16 получаем, считая шири-

Таким образом, теоретически тангенциальная разрешаю- щая способность фокусированной антенны не зависит от даль- ности и равна половине размера реальной антенны.

8.7.2.2.Пути построения радиолокаторов с синтезированной антенной

Традиционным путём радиолокаторы с синтезированной антенной (РСА) построить невозможно. Действительно, при-

N =τЗ MAX /TП =104 (число суммируемых импульсов).

Традиционным путем создать задержку СВЧ-сигнала на время порядка 10 с точностью в доли периода несущей частоты невозможно.

Для построения РСА используется эффект Доплера и со- гласованная фильтрация.

Найдём доплеровский сдвиг частоты сигнала, отражен- ного от точечной цели. Из рисунка 8.16 нетрудно видеть, что

Соответствующее изменение доплеровской частоты мож-

но представить графиком, изображенным на рисунке 8.17, при-

чем

Рисунок 8.17. Изменение доплеровской частоты в процессе полета

Если локатор излучает непрерывный сигнал, то прини- мается сигнал, огибающая которого повторяет ДН реальной ан- тенны, а длительность равна времени облучения цели. Можно

209

рассматривать этот сигнал, как радиоимпульс с линейной час- тотной модуляцией (ЛЧМ). Если пропустить его через согласо- ванный фильтр, на выходе будем иметь более узкий импульс,

длительность которого

За время выходного импульса фильтра самолет пролетает расстояние τ И Вых ×v . Очевидно это и будет тангенциальная раз- решающая способность,

δ Rτ = 2Lv ×v = 2Lv .

Сравнивая полученный результат с (8.14), видим, что сжа- тие позволяет получить разрешающую способность как у фоку- сированной антенны.

Структурная схема аппаратуры, производящей подобную обработку, представлена на рисунке 8.18.

Рисунок 8.18. Структурная схема сжатия сигналов в РСА

В отличие от схемы, представленной на рисунке 8.18, ло- катор должен обладать разрешающей способностью по дально- сти.

Таким образом, локатор с синтезированной антенной дол- жен содержать:

1.Когерентно-импульсную РЛСс истинной когерентностью;

2.Систему обработки сигналов, которая должна произво-

дить оптимальную обработку по азимуту в каждом элементе разрешения по дальности.

210

Один из вариантов построения когерентно-импульсного локатора с истиной когерентностью представлен на рисунке 7.4. Конкретные схемы могут существенно отличаться от данной, но они сохраняют её основное качество: излучаемые радиоим-

пульсы являются вырезкой из одного и того же гармонического колебания.

Фазовый детектор выполняет обычную функцию,

uВыхФД = UВх 1UВх 2 cos(ϕ) ,

где UВх1, UВх 2 - амплитуды входных сигналов,

ϕ - разность фаз между ними.

Сигнал от точечной цели на выходе фазового детектора, являющегося выходным элементом приемной части когерент- но-импульсного локатора, представляет собой импульсную пос- ледовательность с огибающей, повторяющей ДН реальной ан- тенны, и амплитудной модуляцией частотой Доплера. Вид сиг- нала иллюстрируется рисунком 8.19.

На периоде повторения TП могут быть сигналы от мно- жества целей. Для каждой из них требуется осуществлять согла- сованную фильтрацию по азимуту. Существует два пути пост- роения соответствующей аппаратуры:

1. Запись сигналов с выхода ФД на фотоплёнку и сжатие по азимуту оптическим путём после её проявления и просуши- вания.