Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

паранте TTt расположенном В фокальной плоскости линзы в виде участков переменной прозрачности (так как прозрач­ ность не может быть отрицательной, то вводят дополнитель­ ное постоянное смещение уровня}. Транспарант освещает­ ся плоской когерентной (монохроматической) волной све­ та. Рассмотрим изображение во второй фокальной плоско­

сти линзы ФФ. Пучок света,

Расстояние до первой дополнительной светлой точки х0 =

кальной плоскости ТТ дает в задней фокальной плоскости

460

ФФ изображение спектральных линий (пространственных частот и нулевой частоты), т.спектр функции s (х). В бо­ лее общем виде это доказывается с помощью рис. 9.10. Здесь на оси хг расположен транспарант размером d с записью

функции s (хй). Если взять произвольную точку х3 на оси Ох2, то, как известно из геометрической оптики, в ней фо­ кусируется плоская волна с фронтом у—у, перпендикуляр­ ным прямой £х2, т. е. длина оптического пути от всех точек У—У До точки х2 одинакова. От точки хй до у—у волна про­ ходит путь xt sin 0 « XjO, что дает запаздывание по фазе

времени

(2л/Хсв)х10. Обозначим световой поток, проходящий че­ рез транспарант, как s (xt). О способе ввода фазового сдви­

га в функцию прозрачности транспаранта s(xx) будет сказа­ но ниже в связи с рис. 9.11. Комплексная амплитуда поля, создаваемого в точке х2 элементом транспаранта dxlt рас­

положенным в точке хь равна s (xj exp (—2лх]* 10/Лсв), а по­

должая пределы интегрирования до бесконечности (так как вне ±d/2 интеграл тождественно равен нулю) и обо­ значая х2 == х, получаем, что записанный сигнал преобра­ зуется в спектр пространственных частот

s(x)e

461

Более сложное двумерное изображение в виде гармони­ ческих составляющих s (%, у) соответствует точкам осей про­ странственных частот которые дают спектр (9.3.10).

Операции, подобные описанной, могут быть многократ­ но повторены. При нечетном числе линз происходит преоб­ разование сигнал—спектр, а при четном—, сигнал—спектр— сигнал. На основе этого строятся фильтры оптической об­ работки. Обработка в частотной области сводится к тому, что в «частотной плоскости» (ФФ на рис. 9 9) размещается фильтр-маска с записью частотной характеристики СФ. Тогда с помощью еще одной линзы целиком воспроизводит­ ся выходной сигнал как обратное преобразование Фурье. Если же рядом с транспарантом с записью сигнала, ко­ торый протягивается с определенной скоростью v, размеща­ ется маска с записью импульсной характеристики СФ g (х), то в заднем фокусе линзы формируется интеграл свертки, т. е. выходной сигнал заданного фильтра (обработка в сигнальной области)

оо

«вых(0~ J s(x—vt)g(x)dx,

— <ю

где$ (х) — запись сигнала, так что выходной сигнал выда­ ется последовательно по мере поступления входного.

При оптической обработке радиолокационных сигналов в реальном времени трудной задачей является преобразо­ вание амплитуд и фаз сигналов элементов антенной решетки

вамплитуды и фазы светового поля. Следует особо выде­ лить использование для этой цели эффекта изменения по­ казателя преломления среды п при распространении в ней ультразвуковой волны. Здесь применяется светомодулятор

ввиде ультразвуковой линии задержки (УЛЗ) из прозрач­ ного бруска, просвечиваемого сбоку пучком когерентного света (рис. 9.11). На входе УЛЗ ставится пьезопреобразо­

ватель, преобразующий входной сигнал s (/) (обычно ПЧ) в ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль ли­ нии, в конце которой имеется поглощающая нагрузка. Сжа­ тия и разряжения при распространении ультразвуковой волны изменяют оптический коэффициент преломления, что приводит к пространственной (вдоль линии задержки) фазовой модуляции светового поля. Представляет интерес первая пространственная гармоника этого светового пото­ ка. Ее фаза совпадает с фазой сигнала, а амплитуда про­ порциональна амплитуде изменения показателя преломле­ ния, которая, в свою очередь, пропорциональна амплитуде сигнала s (t)

462

9.4. ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА МЕСТА (ВЫСОТЫ) ЦЕЛИ

1. Общие замечания. Большинство современных РЛС являются двухкоординатными (дальность, азимут). Одна­ ко для управления воздушным движением (УВД) в районе аэропорта требуется еще информация о высоте наблюдае­ мых самолетов.

Переход от двухкоординатной РЛС к трехкоординатной,

ной плоскости. Для этой цели, как уже отмечалось, можно исрользовать последовательный,

одновременный или смешанный виды обзора, что и опре­ деляет тот или иной метод измерения высоты.

2. Метод сканирования по углу места. Рассмотрим неко­ торое видоизменение последовательного однолучевого об­ зора. Воспользуемся веерообразным лучом, достаточно уз­ ким в вертикальной плоскости и более широким в горизон­ тальной. Если с помощью обычной двух координатной РЛС кругового обзора определить азимут цели и затем произ­ вести качание данного луча в вертикальной плоскости, то это позволит по положению луча определить угол места цели (рис. 9.12). Время такого обзора определяется по фор­ мулам (9.1.7) и (9.1.8) для последовательного однолучевого секторного обзора (при условии, что индексы Р изменяются на е).

При вертикальном качании узкого луча можно опреде­ лить не только угол места, но и высоту Н, так как

463

нат азимут—дальность при секторном обзоре. Здесь мож­ но использовать секторный индикатор с полярным растром и смещенным центром (рис. 9.13, а). Так как обычно рабо­ чий сектор качания не превышает 30°, то целесообразно произвести укрупнение масштаба развертки по углу места (рис. 9.13, б). Наряду с этим применяется индикатор угол места—дальность (ИУМД) с прямоугольным растром. Сле­ дует отметить, что, как правило, развертка угла места од­ носторонняя (е > 0). Однако в некоторых случаях, напри-

Рис. 9.13. Индикатор угол места — дальность

мер при расположении РЛС на возвышенном месте, могут понадобиться и отрицательные углы места.

Для получения радиально-круговой развертки в сек­ торе emln< emax требуется, чтобы пилообразные токи вертикально и горизонтально отклоняющих катушек были промодулированы в указанном интервале углов соответст­ венно по законам sin е (/) и cos е (/), где е (/) == QKZ, а йк— угловая скорость качания антенны. Учитывая, что пределы изменения углов е обычно невелики, можно при­ нять

iy ~ y!hywy (где wXt wy — число витков, a hx, hy — чувст­ вительности, мм/А-в); их временные диаграммы при допу­ щении (9.4.2) представлены на рис. 9.14. При kt = k2 = k

х2 + / + k2t2 = k2 (2/c)2D2,

464

так что линии равной дальности и равной высоты—прямые, расположенные соответственно вертикально и горизонталь-

4^^

Рис. 9.14. Времен­

ные диаграммы то­ ков в ИУМД

но. При определении высоты на больших дальностях сле­ дует еще учитывать кривизну Земли (6.5.5), так что

причем параболический член вертикально отклоняющего то­ ка можно получить путем интегрирования пилообразного напряжения.

На экране ИУМД с прямоугольным растром (рис. 9.14) линии постоянного угла места являются горизонтальными

т. е. они в координатах 8, D являются гиперболами, кото­ рые сгущаются на больших дальностях, что уменьшает точность отсчета высоты.

ле (8.2.8) при р ~ 0,11. Отметим, что разрешающая спо­

465

« Я0Ог5.

Остановимся еще на особенностях посадочных РЛС, ко­ торые состоят фактически из двух РЛС, осуществляющих секторный обзор по углу места и азимуту. Дело в том, что самолет при посадке снижается в плоскости оси взлетнопосадочной полосы (ВПП) по специальной линии, именуемой

глиссадой. Линии глиссады и курса (ось ВПП) формиру­ ются электронным способом на экранах индикаторов ИУМД и ИАД (сплошные линии на рис. 9.15). На больших даль­ ностях цели, расположенные на линии глиссады и оси ВПП, наблюдаются из РЛС, расположенной вблизи ВПП, под почти постоянными углами места ё и азимута р в вер­ тикальной и горизонтальной плоскостях. Поэтому эти ли­ нии, так же как линии равных отклонений от глиссады и курса Де и Др (штриховая линия на рис. 9.15), являются параллельными оси дальности. При уменьшении дально­ сти е -> 0, а р -> р0 (ро — угол РЛС — край ВПП, отсчи­ танный от направления, параллельного оси ВПП), изме­ няясь приблизительно по гиперболическому закону.

Что касается развертки дальности, то она обычно нели­ нейная, позволяющая получить логарифмическую шкалу дальности, что обеспечивает как одновременное наблюде­

466

ние целей на разных .дальностях, так и укрупнение мас­ штаба на малой дальности.

3. Метод парциальных диаграмм является методом сме­ шанного обзора. При этом ДН РЛС кругового обзора в вер­ тикальной плоскости состоит 'из иглообразных лучей (рис. 9.16), образующих отдельные каналы (как правило, на разных частотах). Таким образом, в пределах угла места используется метод одновременного обзора. По азимуту осуществляется обычный последовательный обзор благо­ даря вращению всей антенной системы в горизонтальной плоскости.

Угол места определяется путем фиксации номера кана­ ла, в котором появился сигнал цели. Фактически при этом необходимо осуществить сравнительный анализ несколь­ ких сигналов соседних каналов. Для углов места, близких к горизонту, целесообразно использовать более узкий луч, чем для больших углов места. Это легко выполняется на практике в случае зеркальной антенны со смещенными об­ лучателями. В системе с парциальными ДН следует осу­ ществить быструю коммутацию выходов приемных кана­ лов, что равносильно развертке по углу места.

4. Внутриимпульсное сканирование. Минимальное время по­ следовательного обзора иглообразным лучом по углу места по ана­ логии с (9.2.2)

ФЕ

Фе/0е лучей (§9.4, п. 3) минимальное времй обзора снижается до

NTn, а в предельном случае (АГ = 1) — до Тп. При этом, однако, информация об угле места поступает дискретно через 0е.

При том же минимальном времени обзора можно обеспечить не­ прерывное цостуНЛение информации, если использовать однолуче­ вое внутриимпульсное электрическое сканирование. Пусть при пере­ даче сигнала формируется веерообразный луч шириной Фе, а при­

ем производится иглообразным лучом шириной 0Е, сканирующим по

углу места очень быстро с периодом, равным длительности импульса (т. е. с частотой порядка 2-105 ... I • 106 МГц в РЛС дальнего обнару­ жения). Иначе говоря, за один период повторения должно быть со­ вершено Тд/ти качаний луча. При этом скорости обзора по дально­ сти и по углу совпадут. За период повторения импульсов от каждой цели в пределах угла Фе и дальности сТп/2 будет принят один отра­

женный импульс, однако его длительность уже меньше ти и равна

6е т'=ти— (9.4.8)

467

(заметим, что, как и ранее, разрешающая способность по углу места равна ширине луча 0е, а по дальности определяется длительностью

импульса т„).

Сравним теперь данный метод и обычный однолучевой с энерге­ тической точки зрения. В однолучевом методе энергия принимаемо­ го сигнала от каждого элемента ра зрешения Ес = NxaPcl, где Pci — импульсная мощность принимаемого сигнала.

Для энергетического сравнения необходимо взять одно и то же время обзора Тобзтш = ФеЛгТп/0е. При внУтРиимпУльсном скани­ ровании это соответствует Ф£^/Ве периодам повторения импульсов

Тп. Следовательно, при той же мощности импульсов Pcj энергия принимаемого сигнала

Ф N

~ q ТИ^— ЕС,

т. е. оба случая в энергетическом отношении при равном времени эквивалентны.

Разумеется, при предельном для системы внутриимпульсйого сканирования времени обзора Тпона энергетически проигрывает по сравнению с обычной однолучевой в ФеА70е раз.

Глава 10

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

10.1. РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РЛС КРУГОВОГО ОБЗОРА

1. Принцип получения радиолокационного изображения земной поверхности в РЛС кругового обзора. С помощью радиолокационного изображения земной поверхности мо­ жет быть обеспечена автономная навигация, особенно при полете над местностью, слабо оснащенной радионавигаци­ онными средствами. Для получения такого изображения на борту летательного аппарата (ЛА) можно использовать обычную РЛС кругового (или секторного) обзора, имеющую в вертикальной плоскости веерообразную ДН, которая в первом приближении является косекансной по напряжен­ ности поля с горизонтальным участком, направленным вниз [случай расположения на земной поверхности целей с оди­ наковыми ЭОП рассмотрен в § 6.5, формула (6.5.3)]. При облучении диффузной поверхности требуемая ДН описы­ вается формулой (6.3.3).

В качестве индикатора можно использовать обычный ИКО. Так как участки земной поверхности, находящиеся

468

на разных дальностях, имеют различные ЭОП и дают отра­ женные сигналы разной интенсивности, то, поступая на управляющий электрод ЭЛТ с радиально-круговой разверт­ кой, эти сигналы создадут изображение, сходное с картой местности. На рис. 10.1, а показана местность, над которой пролетает самолет, а на рис. 10.1, б — временное диаграм­ мы сигналов на выходе приемника unpi, нпр2» нпр3, ип 4 при нескольких положениях антенны (направления 1, 2р 3, 4). Данная местность имеет ряд хаоактерных радиолок.ацион-

Рис. 10.1. К принципу получения радиолокационного изображения с помощью РЛС кругового обзора

ных ориентиров: лес (Л), мост через реку (2И), строения (С), остров (О), корабль (К). Сигналы, отраженные от объ­ ектов, отмечены на временных диаграммах. Что касается водной поверхности, то в случае, если она гладкая, отра­ женный сигнал из-за зеркального отражения отсутствует и на экране образуется темный участок. В зависимости от степени волнения от водной поверхности появляется отра­ женный сигнал той или иной интенсивности. Таким обра­ зом, на экране образуется изображение, по которому опоз­ нается местность.

Характерным для рассматриваемого изображения яв­ ляется то, что первый отраженный сигнал поступает с за­ паздыванием 2Н!с. При этом образуется яркое кольцо, окаймляющее темный круг радиусом Н («высотное кольцо»).

Описанную РЛС часто называют РЛС панорамного обзора местности. Такой же принцип используется в РЛС обзора летного поля и корабельных РЛС.

2. Режимы «закрытия» и «открытия» центра. Ранее (§ 1.3, п. 2) уже говорилось о задержке начала развертки

469