Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

В диапазоне 30.. ЛООО МГц для работы РЛС выде­ лены определенные полосы частот (например, 137..Л44, 216.. .225,400.. .450,890.. .942 МГц). Следует отметить, что мет­ ровый диапазон в настоящее время сравнительно редко ис­ пользуется для целей радиолокации. Вместе с тем, так как УКВ, как правило, распространяются лишь в пределах прямой видимости, то для обеспечения загоризонтного радиолокационного наблюдения могут найти применение декаметровые волны.

Рис. 2. Положение цели в пространстве:

а — системы отсчета координат, б — линии положения при дальномерно-угло­ мерном методе определения положения цели

4. Радиолокационное наблюдение как средство решения навигационных задач. Радиолокация широко используется для определения местоположения летательных аппаратов (ЛА), кораблей и других движущихся объектов.

На рис. 2, а показано местоположение цели Ц в прост­ ранстве, которое может быть отображено либо в сферичес­ кой (£>, р, в), либо в цилиндрической (Dr, 0, Н) системе координат. На рисунке обозначено: D — на’клонная даль­ ность (или просто дальность); Dr — горизонтальная даль­ ность; р — азимут (угол между северным направлением и проекцией направления на цель в горизонтальной плоско­ сти, отсчитываемый по часовой стрелке); 8 — угол места (угол между проекцией направления на цель в горизонталь­ ной плоскости и направлением на цель); Н — высота Цели.

Для однопозиционных РЛС характерно, что весь про­ цесс определения координат производится из одной точки (точка О на рис. 2, а).

Непосредственно определяемыми координатами являют­ ся наклонная дальность D, а также углы р и е. При этом можно считать, что цель Ц расположена в точке пересече­

10

ния трех поверхностей: сферы радиусом D и двух плоскос­ тей (вертикальной, проходящей через точку Ц, и наклон­ ной, расположенной под углом е к горизонту). Эти поверх­ ности являются геометрическим местом точек пространства, в которых данный измеряемый параметр постоянен, и на­ зываются поверхностями положения. На плоскости доста­ точно знать линии положения. В данном случае это окруж­ ность радиуса D и прямая под углом £ (рис. 2, б).

Рассмотренный метод определения положения цели мож­ но именовать дальномерно-угломерным. В радионавигации используются и другие методы: дальномерный, основанный на измерении дальностей от двух различных точек (линии положения — окружности); угломерный (пеленгационный), когда пеленгаторы, расположенные в разных точках, опре­ деляют направления (линии положения — прямые); раз­ ностно-дальномерный, когда измеряется разность расстоя­ ний от двух точек (линии положения — гиперболы), и др.

Заметным достоинством радиолокационного метода реше­ ния навигационных задач, связанных с определением ко­ ординат самолета с земли, является возможность автоном­ ного контроля траектории полета. Это обстоятельство при­ обретает особое значение для гражданской авиации.

5. Краткие сведения о первых шагах отечественной ра­ диолокации. Еще в опытах А. С. Попова наблюдалась воз­ можность обнаружения кораблей по явлению экранирова­ ния ими радиоволн (1897). В 1904 г. X. Хюльсмайер (Герма­ ния) получил патент на способ обнаружения металличе­ ских объектов по отражению радиоволн. Однако техника того времени не могла обеспечить реализацию этих идей.

В'ЗО-х годах в связи с развитием авиации выявились не­ достатки существовавших тогда средств обнаружения само­ летов — звукоулавливателей. К этому времени относится интерес, проявленный в ряде стран к радиолокационному обнаружению самолетов.

В СССР радиолокация возникла и развивалась само­ стоятельно, независимо от зарубежных стран. Подобные идеи начали обсуждаться начиная с 1930 г. В частности, в 1932 г. инициатором ряда работ явился военный инженер

П.К. Ощепков. В конце 1933 г. опыты под руководством

Ю.К. Коровина доказали возможность радиолокации не­ прерывным методом в дециметровом диапазоне волн на дальности 600 ... 700 м. В 1935—1936 гг. под руководством Б. К. Шембеля испытывается радиоискатель «Буря» (не­ прерывный метод с частотной модуляцией; максимальная дальность обнаружения самолетов 10... 11 км, а гор—на рас­

11

Стоянии 100 км). В 1930 г. на вооружение войск ПВО были приняты разработанные под руководством Д. С. Стогова разнесейные РЛС непрерывного действия на основе исполь­ зования эффекта Доплера РУС-1 (радиоулавливатель самолетов). С помощью РУС-1 фиксировался факт пролета самолета.

Важнейший вклад в отечественную радиолокацию внес­ ла лаборатория Ленинградского физико-технического ин­ ститута (директор академик А. Ф. Иоффе), которой вначале руководил академик Д. А. Рожанский. Здесь в 1935 г. на­ чал работу по импульсной радиолокации Ю. Б. Кобзарев (ныне академик, Герой социалистического труда). Ю. Б. Коб­ зарев с небольшой группой сотрудников создал в 1936— 1937 гг. первую импульсную РЛС. В 1938 г. была до­ стигнута дальность действия 50 км при высоте полета 1 500 м. В 1941 г. была принята на вооружение импульсная РЛС РУС-2, которая явилась основой для целой серии последую­ щих образцов. За блестящее достижение в области радио­ локации Ю. Б. Кобзарев и его сотрудники А. П. Погорелко и Н. Я. Чернецов были удостоены в 1941 г. Государствен­ ной премии. Деятельность Ю. Б. Кобзарева сыграла боль­ шую роль в дальнейшем развитии отечественной радиоло­ кации.

6. Краткие сведения о применении радиолокации в гражданской авиации. Выполнение регулярных и безопас­ ных полетов в условиях все возрастающей интенсивности воздушного движения требует применения большого коли­ чества радиотехнических средств, в частности радиоло­ кационных. Роль радиолокации возрастает еще больше

новке в системах УВД являются импульсные РЛС. При этом для УРД по трассам применяются РЛС с дальностью 350...

450 км, а в районе аэропортов с дальностью 100...200 км. Так как используемые РЛС, как правило, двухкоординат­ ные (дальность, азимут), то третья координата транслиру­ ется по «вторичному» каналу (РЛС с активным ответом). Система, включающая РЛС с пассивным и активным ответа­ ми и устройство трансляции радиолокационной информа­ ции по радиоканалу или по кабелю на пульт управления, именуется радиолокационным комплексом.

Вводятся автоматизированные системы — АС УВД, в ко­ торых процессы сбора, обработки и отображения инфор­ мации, а также анализа воздушной обстановки произво­

12

дятся с помощью ЭВМ. Решение о необходимости изменения параметров движения отдельных ЛА принимается пока че­ ловеком-диспетчером, который может непосредственно вза­ имодействовать с вычислительным комплексом системы.

Навигация самолетов по трассе в значительной степени обеспечивается теми же РЛС, которые применяются в си­ стемах УВД. Они служат как для контроля выдерживания заданной трассы, так и для определения местоположения в процессе полета.

Для выполнения посадки и ее автоматизации наряду с радиомаячными системами широко используются РЛС по­ садки, обеспечивающие слежение за уклонением самолета от курса и глиссады планирования, Посадочные РЛС характериауются дальностью действия лишь в несколько десятков километров, но зато они имеют высокую точность.

Ряд современных аэропортов оборудован РЛС обзора лет­ ного поля, работающими в миллиметровом диапазоне и об­ ладающими очень высокой разрешающей способностью, до­ статочной для распознавания при любой погоде самолетов, отдельных автомашин и т. д. Дальность их действия состав­ ляет несколько километров.

Большое значение приобретают метеорологические РЛС. Они применяются для обнаружения облаков и осад­ ков и могут быть использованы для штормового оповеще­ ния. Кроме того, с их помощью измеряют метеорологиче­ ские параметры.

В гражданской авиации используют ряд бортовых радио­ локационных устройств. К ним относится бортовая РЛС для обнаружения опасных метеообразований и препятст­ вий. Обычно она же используется для обзора земли с целью автономной навигации по характерным наземным радиоло­ кационным ориентирам. Для обеспечения действия упомя­ нутого выше активного канала на борту имеются специаль­ ные ответчики. Радиолокационные принципы используются и в таких навигационных приборах, как бортовой радиовы­ сотомер и доплеровский (использующий эффект Доплера) измеритель путевой скорости и угла сноса (ДИСС). Боль­ шой интерес представляют РЛС бокового обзора, обеспе­ чивающие значительное повышение разрешающей способ­ ности при обзоре земной поверхности по сравнению с обыч­ ными РЛС. Они нашли применение в последнее время для ледовой и геологической разведок.

7. Задачи настоящего курса. Технические особенности РЛС связаны с диапазоном используемых радиоволн, фор­ мой зондирующего сигнала, видом оконечных (выходных)

13

Глава 1

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ РЛС С ВИЗУАЛЬНОЙ ИНДИКАЦИЕИ

t.1. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

1. Принцип измерения дальности. Измерение дальности радиотехническими методами основано на постоянстве ско­ рости и прямолинейности распространения радиоволн, ко­ торые выдерживаются в реальных условиях с достаточно большой точностью. Измерение дальности сводится к фик-

Антенный

Рис. 1.1. Структурная схема простейшей импульсной РЛС (дально­ мера)

сации моментов излучения зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала и измерению временного интервала между этими моментами. Моменты времени фиксируются сво­ его рода радиотехническими «зарубками» на радиоволне. Для этого широко используется импульсная модуляция зондирующего сигнала. При непрерывном излучении радио­ волн применяют частотную модуляцию сигнала (§ 2 8), а при фазовом методе измерений дальности можно вообще обойтись без специальной модуляции зондирующего сиг­ нала (§ 2.7).

Структурная схема импульсной дальномерной РЛС изоб­ ражена на рис. 1.1. В РЛС используется одна антенна как для передачи, так и для приема. Импульсный передатчик вырабатывает радиоимпульс длительностью тп, который через антенный переключатель (переключателе «прием — передача») попадает в антенну и излучается. Приемник

15

в этот момент отключается на время тя от антенны и только часть энергии импульса (прямой сигнал) «просачивается» на вход приемника.

Отраженные импульсы, воспринимаемые антенной, через тот же антенный переключатель в паузах между зондирую­ щими импульсами поступают в приемник.

Время запаздывания t3 отраженного импульса относи­ тельно прямого (либо другого импульса, характеризующего начальный отсчет вре­ мени) измеряется с по­ мощью оконечного уст­ ройства, например ви­ зуального индикатора.

Если в структурной схе­ ме рис. 1.1 удалить ан­ тенный переключатель,

и приемной, то и в этом случае прямой сигнал может попасть в приемник из-за недостаточной развязки (переход­ ного затухания) между антеннами. Отметим, что отсчиты­ вать дальность цели по началу отраженного импульса, как показано на рис. 1.2, практически невозможно из-за влия­ ния шумов. Оптимальным при наличии шума может ока­ заться отсчет по положению максимума отраженного сиг» нала.

где D — расстояние между РЛС и целью; с = 3-10®м/с — скорость распространения радиоволн, поэтому если расстоя­

16

ние выражено в метрах, то время запаздывания /3 = 2D/3X X 108 = *(D/150) 10~6 с, или (в микросекундах)

с помощью электронно-лучевого индикатора с амплитудной отметкой цели (рис. 1.3). Для этого с помощью горизонталь­ но отклоняющего напряжения пилообразной формы про­ изводится периодическая развертка луча электронно-лу­ чевой трубки (ЭЛТ) с постоянной скоростью, т. ег создает­ ся линейная шкала времени, которую можно проградуиро­ вать в единицах дальности. Такая развертка именуется вре­ менной или разверткой дальности. Масштаб шкалы даль­ ности, выражаемый обычно и миллиметрах на километр, т. е. отношение длины вдоль шкалы I к соответствующей дальности D, равен

М = Z/D = /ШК/РШК = vatJctJ2 = 2ол/с, (1.1.4)

где /Шк — длина шкалы дальности; DmK — соответствую­ щее значение дальности вдоль всей шкалы; ил — скорость развертки электронного луча.

Для использовайия временной развертки в качестве шка­ лы дальности требуется, чтобы развертка начиналась, на­ пример, в момент поступления на вертикально отклоняющие пластины трубки уу прямого импульса, просачивающегося на вход приемника, как Показано на рис. 1.3. На рисунке изображены временное диаграммы не самих напряжений развертки wp и сигнала wc, а значения их произведений на чувствительность пластин ЭЛТ uphx и uchy, равные соот­ ветствующим отклонениям на экране ЭЛТ. В результате синхронизации напряжения развертки г частотой повторе­ ния импульсов передатчика Та выдерживается соотноше­ ние (см. рис. 1.3)

17

Тв — время восстановления развертки (обратного хода); Тож — время ожидания (после восстановления), а Гр — время прямого хода развертки.

На рис. 1.3 показано, как образуется амплитудная от­ метка цели в одномерном индикаторе с линейной разверткой (именуемом иногда индикатором типа Д).

Иногда линия развертки образуется путем равномерного вращения электронного луча по окружности с постоянной скоростью. Это позволяет создать кольцевую шкалу, дли­ на которой близка к величине /шк = л^э, где d3 — диаметр экрана, т. е. кольцевая развертка обеспечивает в л раз бо­ лее крупный масштаб, чем линейная. В кольцевой разверт­ ке время оборота электронного луча равно периоду повто­ рения Тп, так что обратного хода нет. Развертка осуществ­ ляется с помощью синусоидального и косинусоидального напряжений частоты Fn = l/T'n, подаваемых на каждую из двух пар пластин ЭЛТ. Для создания же амплитудной от­ метки ЭЛТ должна иметь вдоль своей оси специальный ра­ диально отклоняющий электрод.

Принципиально для измерения дальности достаточно, чтобы зондирующий сигнал представлял собой одиночный импульс. При этом для сохранения радиолокационной ин­ формации на время, требуемое для измерения, можно ис­ пользовать ЭЛТ с длительным послесвечением. Однако при одиночных импульсах труднее обеспечить требуемую с точки зрения -заданных условий обнаружения общую энер­ гию зондирующего сигнала. Поэтому в качестве зондирую­ щего сигнала, облучающего цель, используется последова­ тельность из определенного числа импульсов, следующих через равные интервалы Тп (квазипериодическая последо­ вательность).

2. Условие однозначности измерения дальности. Если цель неподвижна или медленно перемещается в радиальном направлении за время наблюдения, то отметка цели через каждый период повторения Тп будет появляться в одном и том же месте экрана ЭЛТ. Если при этом частота повторе­ ния Fn = 1/Тп превышает несколько десятков импульсов в секунду, то благодаря Инерционности восприятия глаза длительного послесвечения экрана не требуется. Кроме того, с ростом частоты повторения Еп яркость отметки до опреде­ ленного предела увеличивается.

Частоту повторения импульсов Еп выбирают из условия однозначности отсчета дальности. Как видно из рис. 1.3, дальность измеряется однозначно лишь в тех случаях, когда k<Tn. (1.1.7)

18

Если же неравенство (1.17) не выполняется, то однознач­ ность нарушается. Все k + 1 целей, у которых время за­

метки, расположенные в одном и том же месте экрана ЭЛТ. Поэтому, выбирая период повторения импульсов при заданной максимальной дальности Е>юах, следует исходить

из условия

с учетом времени восстановления рабочего состояния от­ дельных устройств РЛС, обусловленного, в частности, ко­

импульсов (несущую частоту, частоту повторения и др.). Такая модуляция зондирующих импульсов часто именуется

.*вобуляцией Если импульсы имеют, например, различ­ ные несущие частоты, то для устранения неоднозначности можно использовать частотную селекцию с помощью мно­ гоканального приемного устройства. Рассмотрим подроб­ нее вобуляцию межимпульсных интервалов. Она Может быть непрерывной или дискретной.

На рис. 1.4, а показана временнаядиаграмма сигналов ис для двух дискретных значений интервала между зондирую­ щими импульсами Тп1 и Тп2. Имеются две цели (импульсы 1 и 2 на рис. 1.4, а). Первой (/) соответствует время запазды­ вания отраженного сигнала 41» удовлетворяющее условию однозначности, цель (2) характеризуется временем запазды­ вания 4г» превышающим период повторения Тп, и является «двузначной», так что в формуле (1.1.9) коэффициент k—l. Бели тёперь перейти от временного графика к изображению

* От слова to wobble (англ.) — шатать, качать.

19