Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

М. И. Финкельштейн

ОСНОВЫ

РАДИОЛОКАЦИИ

Издание 2-е, переработанное и дополненное

Утверждено Управлением учебными заведениями МГА в качестве учебника для высших учебных заведений гражданской авиации.

Москва «Радио и связь» 1983

ББК 32.95 Ф59

УДК 621.396.96(075)

Финкельштейн М. И.

Основы радиолокации: Учебник для вузов. — 2-е Ф59 изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1983. —

536 с., ил.

В пер.: I р. 20 к.

Излагаются принципы построения когерентных и нскогерентнмх ра­ диолокационных станций. Рассмотрены свойства целей, обработка сигна­ лов и борьба с помехами, методы обзора пространства, обработка и ото­

и др. Книга переработана в соответствии с современным состоянием ра­ диолокации и тенденциями развития радиолокационной техники граждан­ ской авиации.

Для студентов вузов гражданской авиации. Полезен студентам ра­ диотехнических факультетов других вузов, а также инженерам, работаю­ щим в промышленности и связанным с эксплуатацией РЛС.

Рецензент: Кафедра Московского авиационною института (зав. кафедрой проф. д-р техн, наук П. А. Бакулев)

Редакция литературы по конструированию и технологии производства РЭА

© Издательство «Радио и связь*, 1983

ВВЕДЕНИЕ

1. Предмет радиолокации.

Радиолокация — это область радиоэлектроники, решаю­ щая задачи радиолокационного наблюдения различных объ­ ектов, т. е. их обнаружения, измерения координат и пара­ метров движения, а также выявления некоторых структур­ ных или физических свойств путем использования отражен­ ных или переизлученных объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения (слово локация происходит от латинского locatio — размещение, расположение).

Информация, получаемая, в процессе радиолокационного наблюдения, называется радиолокационной. Устройства радиолокационного наблюдения называются радиолокаци­ онными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются радио­ локационными целями или просто целями. При использова­ нии отраженных радиоволн радиолокационными целями яв­ ляются любые неоднородности электрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемостец, про­ водимости), в которой распространяется первичная радио­ волна. Сюда относятся летательные аппараты (самолеты, вертолеты, метеорологические зонды и др.), гидрометеообра­ зования (дождь, снег, град, облака и т. д.), речные и морс­ кие суда, наземные объекты (строения, автомобили, само­ леты в аэропортах и др.), всевозможные военные объекты и т. п. Особым видом радиолокационных целей являются астрономические.

Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. В зависимости от способов его получения различают следующие виды радиолокационного наблюдения.

Радиолокация с пассивным ответом, основанная на том, что излучаемые РЛС колебания—зондирующий сигнал — отражаются от цели и попадают в приемник РЛС в виде отраженного сигнала или, как его еще называют, эхо-сиг­ нала (рис. 1, а). Такой вид наблюдения иногда называется также активной радиолокацией с пассивным ответом. Он является наиболее распространенным. Важным требовани­ ем к целям в этом случае является отличие их отражающих свойств от отражающих свойств окружающей среды (радио­ локационный контраст).

Радиолокация с активным ответом, именуемая актив­ ной радиолокацией с активным ответом, просто активной

4

ния, связанные с обнаружением искусственных объектов. Кроме того, разновидностью пассивной радиолокации яв­ ляется наблюдение за грозами (в длинноволновом диапазоне).

2. Общая характеристика радиолокационного канала. Систему РЛС — цель можно рассматривать как радиолока­ ционный канал наподобие радиоканалов связи и телемет­ рии. Основными составными частями РЛС являются пере­ датчик, приемник, антенное и оконечное устройства.

- У большинства РЛС передающая и приемная антенны расположены в непосредственной близости друг от друга, а РЛС с импульсной модуляцией обычно имеет одну антенну, снабженную специальным антенным переключателем для перехода из режима передачи в режим приема и обратно. Такие РЛС именуются однопозиционными (совмещенными или моностатическими). Наряду с этим в некоторых случаях, например, для слежения за космическими объектами, нахо­ дящимися на орбите, могут применяться РЛС с далеко раз­ несенными передающими и приемными устройствами. Эти РЛС именуются многопозиционными (разнесенными или бистатическими). Величина расстояния разноса должна зна­ чительно превышать величину ошибки определения даль­ ности данной РЛС.

Передатчик РЛС вырабатывает высокочастотные (СВЧ) колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте или фазе иногда весьма сложным образом. Эти колебания подаются в антенное устройство и образуют зондирующий сигнал. Наибольшее применение находит зондирующий сигнал в виде последовательности равноотстоящих по вре­ мени коротких радиоимпульсов. Наряду с простыми.Х«гладкими») радиоимпульсами может применяться внутриимпульснаячастотная модуляция и фазовая манипуляция (ФМ). Другим видом зондирующего сигнала является не­ прерывный. Здесь наряду с гармоническими колебаниями могут использоваться частотно-модулированные (ЧМ) и др.

После того как электромагнитная волна, падающая на цель (первичная волна), вызывает в ее теле вынужденные ко­ лебания электрических зарядов, цель подобно обычной ан­ тенне создает своеэлектромагнитное поле. Это поле пред­ ставляет собой вторичную, т. е. отраженную, электромаг­ нитную волну, создающую в РЛС радиолокационный сиг­ нал, который является носителем информации о цели. Так, амплитуда сигнала в определенной степени характеризует размеры и отражающие свойства цели, время запаздывания

относительно начала излучения зондирующего сигнала ис­ пользуется для измерения дальности, а частота колебаний

6

благодаря эффекту Доплера несет информацию о радиаль­ ной скорости цели. Поляризационные параметры отражен­ ной волны также могут быть использованы для оценки свойств цели (ее формы, соотношения между размерами). Наконец, направление прихода отраженной волны содер­ жит информацию об угловых координатах цели.

Приемник РЛС необходим для выделения полезного сиг­ нала из помех (так называемая первичная обработка сигна­ ла). Оконечное (выходное) устройство служит для представ­ ления радиолокационной информации в нужной потреби­ телю форме. Если потребителем является человек-оператор, то используется визуальная индикация. Для потребителя в виде вычислительного устройства дискретного действия (или современной электронной вычислительной машины — ЭВМ) используется радиолокационная информация, пре­ образованная в двоичный код. При этом в ЭВМ происхо­ дит дальнейшая, так называемая вторичная обработка сиг­ нала (подобная действиям человека-оператора).

Важной составной частью радиолокационного канала, как и любого радиоканала, являются помехи. Внутренние шумы вызывают подавление полезного сигнала, а также по­ явление ложного сигнала и вносят ошибки в измеряемые координаты. Наряду с этим флуктуации скорости и направ­ ления распространения радиоволн в атмосфере можно рас­ сматривать как помехи. Такое же действие оказывают пас­ сивные помехи — источники ложных отражений (например, отражения от земной поверхности при наблюдении целей). Другим источником помех являются флуктуации центра отражения движущейся цели относительно траектории движения. Это приводит к флуктуациям, в частности, к слу­ чайным пропаданиям отраженных сигналов, которые также можно рассматривать как помехи. Источники мешающих радиоизлучений образуют активные помехи (против РЛС военного назначения могут специально создаваться орга­ низованные активные помехи, возможны также организо­ ванные пассивные помехи).

В условиях большой насыщенности радиосредствами заметное влияние могут оказывать активные взаимные по­ мехи. Меры, направленные на их подавление, обеспечива­ ют электромагнитную совместимость.

7

Измерение позволяет оценить координаты целей н пара­ метры их движения с допустимыми погрешностями.

Разрешение заключается в выполнении задач обнаруже­ ния и измерения координат одной цели при наличии другие, близко расположенных по дальности, скорости и т. д. На­ конец, распознавание дает возможность установить некото­ рые характерные признаки цели: точечная она или группо­ вая, движущаяся или неподвижная и т. д.

3. Диапазоны длин волн, используемые в радиолокации. Важным фактором при выборе диапазона длин волн являет­ ся характер отражения радиоволн от целей. Если размеры цели и радиусы кривизны отдельных ее участков много меньше длины волны, то интенсивность отражения мала. При этом цель можно уподобить антенне с очень малойдействующей высотой или малой эффективной площадью.

Другой крайний случай, когда размеры цели и радиусы кривизны отдельных участков много больше длины волны, близок к оптическому; интенсивность отражения достигает заметной величины, мало зависит от длины волны и опреде­ ляется в основном отражающими свойствами и размерами цели. В промежуточном случае соизмеримости размеров цели или ее отдельных участков с длиной волны возможно резонансное возбуждение участков поверхности цели, при котором интенсивность отражения заметно возрастает в некоторых направлениях.

Учитывая размеры реальных целей, приходим к выводу, что для того чтобы длина волны была много меньше этих размеров или соизмерима с ними, в радиолокации необхо­ димо использовать ультракороткие волны (УКВ). Другая причина использования этого диапазона, особенно волн более коротких, чем метровые, связана с размерами антенн. Дело в том, что угловая ширина диаграммы направленности антенны независимо от ее типа прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна соответствующему размеру.

Для зеркальной антенны в виде усеченного параболои­ да ширина луча по точкам половинного значения мощности

</а, = 65 см, а чтобы луч имел такую ширину при длине волны К =3 м, размер зеркала dk должен составлять 6,5 м.

8

формула (1} показывает, что острый луч, обеспечиваю­ щий разделение нескольких целей по угловой координате

ивысокую точность определения координат при заданных размерах антенны, можно получить только при достаточно короткой волне X.

Поэтому в ряде авиационных РЛС используют сантиметро­ вые радиоволны, а для обзора летного поля в аэропор­ тах — миллиметровые.

Сточки зрения повышения разрешающей способности

иточности (т. е. информативности радиолокационного сиг­ нала) необходимо расширять полосу частот зондирующего сигнала, что, например, достигается уменьшением длитель­ ности зондирующих импульсов либо применением специаль­ ных сложных сигналов. Естественно, что расшир.ение поло­ сы передаваемых частот требует повышения несущей часто­ ты сигнала.

При выборе диапазона волн важное значение имеют осо­ бенности распространения радиоволн в атмосфере, в част­ ности резонансное поглощение (например, для кислорода на частоте 60 ГГц поглощение составляет около 14 дБ/км), что вынуждает избегать применения соответствующих частот.

Всовременных РЛС используются дециметровые, санти­ метровые, миллиметровые радиоволны, а в лазерных лока­

торах — волны оптического диапазона. Согласно рекоменда­ циям Международной организации гражданской авиации {ICAO), радиолокации отводится почти 30% диапазона ча­ стот 1...10 ГГц. Широко используются полосы частот, где

ГГц)

9