Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

Чтобы при прочих равных параметрах РЛС и заданной высоте Н яркость отметки цели не зависела от угла места

е, т. е. от дальности, требуется, чтобы ДН в вертикальной

где em — направление максимума ДН.

Как и в случае РЛС кругового обзора, можно задавать­ ся не характером поверхности (диффузная), а равенством ЭОП целей, расположенных вдоль земной поверхности. Тогда

Такая ДН менее вытянута в горизонтальном направле­ нии, чем косекансная, и поэтому ее легче сформировать.

При кренах самолета и колебаниях по азимуту возмож­ ны искажения изображения. Во избежание этого должна быть произведена стабилизация всей антенны либо луча.

2. РЛС бокового обзора с синтезированной антенной. Вспомним процесс формирования узкого луча в линейной решетке вибраторов. Колебания, воздействующие на виб­ ратор, имеют в произвольном направлении различные фа­ зы, причем фаза нарастает по мере удаления от конца ре­ шетки. Только в направлении максимума главного лепест­ ка колебания всех вибраторов синфазны. Чем больше расстояние между вибраторами и их число, тем больше из­ меняются фазы при отклонении направления от макси­

сокращенно РСА) происходит процесс, аналогичный дей­ ствию линейной решетки вибраторов. Такая РЛС когерент­ ная, ее обычная (не обязательно остронаправленная) антен­ на при каждом излучении импульса делается «элементом» (вибратором) некоторой искусственной антенной решетки. Расстояние между этими элементами определяется переме­ щением самолета (рис. 10.11, а). В действительности они одновременно не существуют, однако можно запоминать фазу и амплитуду отраженных сигналов при последующих положениях самолета. Если затем в устройство обработки обеспечить когерентное сложение всех запоминаемых сигна­ лов с учетом положений самолета (рис. 10.11, г), то такое

480

устройство не будет отличаться по свойствам от синфазной антенной решетки. Так как эффективная длина искусствен*

Поскольку РЛС является когерентной системой, то ши­ рину ДН и изменение фазы по апертуре антенны следует рассматривать при условии двустороннего распространения радиоволн (к цели и обратно). Действительно, если в обычной

Рис. 10.11. К принципу действия РЛС бокового обзора с синтезиро­ ванной антенной

антенне фронт плоской волны расположен под углом 0 к раскрыву длиной dA и разность хода крайних лучей равна ДР = dA sin 0, а разность фаз 2лДР / Л, то в синтезиро­

ванной антенне сравниваются фазы когерентных сигналов, которые получили этот фазовый сдвиг сначала при передаче, а затем при приеме, так что общий фазовый сдвиг будет в два раза больше чем в обычной антенне. Это равносильно увеличению раскрыва в два раза, так что эффективная шири­

481

Обычно антенны РЛС имеют для направления максимума равномерное распределение фазы приходящего сигнала по апертуре, т. е. сфокусированы на бесконечность (дальнюю зону). Ширина их ДН оценивается в дальней зоне. Однако размеры синтезированной антенны настолько велики, что относительно них цели расположены в ближней зоне. Поэтому может потребоваться фокусировка. Для этого ко­ герентные сигналы, запоминаемые в элементах памяти, суммируются с дополнительными фазовыми сдвигами.

Отсутствие коррекции фазы принимаемых сигналов ограничивает максимальную эффективную длину ситезируемой антенны. Она определяется из условия полного нарушения синфазного суммирования, когда разность фаз по краям относительно центра антенны сдвигается на 90°, т. е. соответствующая разность фаз расстояний не должна

получим согласно (10.2.8)

еМЭф=уТ7б/2, (ю.2.10)

а разрешающая способность в тангенциальном направлении согласно (10.2.9)

т. е. в отличие от обычной антенны не зависит от ее апер­ туры и ухудшается с расстоянием не по линейному закону

[формула (10.2.2)1, а медленнее, как VD.

В РСА с фокусированной антенной обработка отражен­ ных сигналов производится с учетом изменений расстояний. На рис. 10.11, г показаны фозовращатели, которые должны соответствующим образом изменять фазы сигналов перед суммированием за время облучения (синтезирования) ТОбл-

На рис. 10.11, в изображена область, охватываемая ре­ альной антенной с раскрывом dA. Она равна A,D / dA (за­ метим, что D «Do). (Если запоминаются и обрабатыва­ ются все сигналы одной и той же цели Ц за время прохож­ дения зоны, облучаемой реальной антенной, то эффективная длина синтезированной антенны

482

Например, для случая D = 100 км, Л = 3 см при dA = = 1 м эффективная длина синтезированной антенны d3i) = == 3 км!

Так как по-прежнему фазовый сдвиг сигнала между элементами синтезированной антенны удваивается, то

Наконец, линейная разрешающая способность в танген­ циальном к лучу направлении

6DT = D 0о,бэф = D Х/2</эф = dJ2. (10.2.14)

Таким образом, потенциальная разрешающая способ­ ность в тангенциальном направлении (при условии опти­ мальной обработки) не зависит от дальности и длины волны и определяется только половиной раскрыва обычной антен­ ны, т. е. очень велика.

3. Анализ синтезированной антенны на основе метода фильтрации доплеровских частот.

Наряду с рассмотренным выше векторным суммирова­ нием колебаний возможен метод оптимальной обработки сиг­ налов, основанный на фильтрации доплеровских частот. Эти методы эквивалентны.

Доплеровский сдвиг частоты для цели Ц, показанной на

Для определения измерения доплеровского сдвига за время облучения достаточно определить его значение в точке Ц'. Получим

Г_ 2W 00,5 ~—i——■

Таким образом, изменение доплеровской частоты за вре­ мя облучения точечной цели равно

т. е. за время Тобл имеет место частотная модуляция по линейному закону с девиацией AFn.

483

как сжатие импульса, так и максимальный выигрыш в отношении сигнал-шум. Коэффициент сжатия равен про­

сжатого импульса уменьшается отТобпюТобл/ТоблДРп~

= 1 / ДГд. Это соответствует линейной разрешающей спо­ собности 6£>т = W / &ГЯ, откуда с помощью формул

(10.2.1) и (10.2.15) получим 6£>т — dA/2, т. е. уже знакомую формулу (10.2.14).

Так как длительность сигнала Т^л зависит от дальности,

то соответственно должны изменяться параметры оптималь­ ного фильтра, что определяет сложность оптимальной обра­ ботки (фокусированная антенна). Проще осуществить не­ оптимальную обработку (нефокусированная антенна), ког­ да используется не перестраиваемый фильтр, а частотный фильтр с полосой ДГф. Этой полосе соответствует эффек­ тивная ширина луча, которая по аналогии с предыдущим

Длительность процесса, спектр которого ограничен полосой Д^ф, можно трактовать как эффективное время облучения Тобл Эф, причем коэффициент пропорционально­ сти зависит от частотной характеристики фильтров и уров­ ней отсчета. Примем

то приравнивая правые части (10.2.17) и (10.2.18) и заменяя

вышена, если ограничить просматриваемый диапазон даль­ ности узкой полосой обзора (рис. 10.8, а), т. е. интервалом времени 2 (£>тах — Ою1п) / с + ти. При этом для обеспе­

чения правильного времени режима работы антенного переключателя надо, чтобы прямой импульс попадал в наблюдаемую зону в момент «выхода» из нее отраженного сигнала наиболее удаленной цели (рис. 10.12), т. е. отноше­

484

ние (2Dmin I с — ти) / Та mln должно быть целым числом.

При этом

Лтах== 1/Гпт1п = 1/[2(Ртй-Рт1а)/с4-2тиЬ (10.2.19)

На практике частота повторения выбирается меньше Fa max» например Fn — 0,75 Fn тах- Чтобы исключить

наложение отраженных и прямых импульсов, целесообраз­

Рис. 10.12. К просматриваемому диапазону дальностей РСА

но применить временное чередование излучения и приема

(пачка импульсов общей длительностью меньше, чем 2Dmin / с, с соответствующей паузой). Что же касается от­

ражений от земной поверхности непосредственно под ле­

отраженными от одной и той же це­ ли, не должен превышать 2л. В противном случае возникает

неопределенность по азимуту для двух целей, расположен­ ных на одинаковом расстоянии от РЛС. На рис. 10.13 показаны края диаграммы направленности антенны (в качестве которых можно, например, выбрать направления первых нулей) РЛС в плоскости наклонной дальности. Как видно, наклонная дальность равна

D = VD§ + ((0(,/2)D-W712,

где 60 — ширина главного лепестка диаграммы по нулям при одностороннем распространении радиоволн (см. § 10.2, п. 2); t — малый промежуток времени, отсчитываемый от

485

но происходить в течение интервала времени, не меньшего, чем допустимый период повторения, т. е. А/ = Тп тах. Кроме того, 0О / 2 « 0О 5 « X / dA, откуда

Fn шт = W (0О / 2) / AD = W / (dA / 2). (10.2.20)

Иначе говоря, для устранения неоднозначности по ази­ муту антенна РЛС должна излучить каждый последующий импульс прежде, чем летательный аппарат, сместится в пространстве на половину размера апертуры антенны dA/2. Для улучшения качества радиолокационного изображения обычно выбирают Fn ж 1,25 Fa mln.

Представляет методический интерес обоснование форму­ лы (10.2.20) и с других точек зрения. Возможен подход, основанный на том, что частота повторения должна быть больше максимального доплеровского сдвига частоты от­ раженного сигнала. Очевидно, что сигналы, отраженные

устранения неоднозначности следует брать ЕПпип ~^дтах (см. спектр последовательности импульсов движущейся це­ ли на рис. 2.19). Так как sin (0О / 2) 0О / 2 « X / dA, то Имеет место та же формула (10.2.20).

Можно также исходить из того обстоятельства, что число принимаемых отраженных импульсов должно быть не мень­ ше числа разрешаемых элементов по азимуту. Фактически это сводится к тому, что для измерения параметров АГЭ разрешаемых элементов надо иметь число импульсов по крайней мере N = Fn тщ Тобл (где Тобл — в данном случае время синтезирования). Число разрешаемых эле­ ментов равно числу элементов разрешения 6DT синтезиро­ ванной антенны, заполняющих облучаемую полосу, которую

486

Так как ТоС>:! — da$ / IF, то пользуясь (10.2.12), получим N =■ Fn mln XD0 /'dAW. Приравнивая N = N3t вновь по­ лучим формулу (10.2.20) Fa mln = 2W / dA.

Для получения радиолокационного изображения с вы­ соким разрешением посредством РСА требуется, чтобы отно­ шение сигнал-шум было достаточно большим. Воспользуем­ ся уравнением дальности (6.1.8), разделив обе части на мощность шума в форме (4.2.24). Тогда отношение сигналшум при приеме одиночного импульса

где То = 290 К.

В РСА в результате когерентного накопления вдоль синтезированной апертуры происходит выигрыш в отноше­ нии сигнал-шум в Гобл Fn раз, где Гобл = / W. Кроме того, в РСА часто используется сжатие импульсов, что дает выигрыш, равный отношению длительностей несжатого

Отношение сигнал-шум на выходе РСА со сжатием им­ пульсов пропорционально X3, размеру элемента разрешения по горизонтальной дальности 6Dr (так как рост 6Dr рав­ носилен сужению полосы высокочастотных каскадов РСА), не зависит от размера элемента разрешения в тангенци­ альном направлении (так как для фокусированной синте­ зированной антенны 6DT = dA/ 2) и обратно пропорцио­ нально D3 и W.

Так как принимаемые сигналы во многом напоминают шумовой процесс, то РСА проектируются для обнаружения целей в присутствии шумов с высокой вероятностью обна­ ружения (например, D — 0,95).

5. Особенности обработки сигналов в РСА. Общий прин­ цип преобразования сигналов в РСА сохраняется таким же, как это описано в § 4.4, п. 1 для когерентных РЛС. Приэтом в системе с квадратурными каналами после детектирования

487

сигнала промежуточный частоты с помощью фазовых *де текторов, сдвинутых по фазе на 90°, выделяются огибаю­ щие

Хх (0 = X (0 cos <р (0; Х2 (0 = X ( 0 sin <р (t).

Вданном случае, как видно из рис. 10.13,

Ф(0 « 2л [2D (0 / X] = (4л / X) (Ут + W42 - Do).

линии). При импульсном режиме РЛС xt (0 и х2 (0 явля­ ются огибающими видеоимпульсов (штриховая линия на рис. 10.14, в, г).

Биполярный видеосигнал с выхода фазового детектора поступает в устройство обработки сигналов, которое обеспе­ чивает синтезирование апертуры. Кроме того, в связи с необходимостью получения высокого разрешения не только в азимутальном направлении, но и по наклонной дально­ сти, применяются широкополосные сигналы, например,

488

с частотной модуляцией. Поэтому устройство обработки должно осуществлять также функции сжатия импульсов.

Время синтезирования, определяющее требования к устройству обработки в РСА, весьма велико. Если, напри»

Число каналов по наклонной дальности, исходя из высокой разрешающей способности по дальности и требова­ ний к полосе обзора, имеет порядок т ж 103 ... 104. Если частота повторения импульсов Fп = Ю00 с-1, то количест­ во суммируемых импульсов в процессе синтеза должно быть N = Тобл Еп = Ю3. Так как при когерентной обра­ ботке сигналов, отраженных от точечной цели, максималь­ ная амплитуда возрастает в N раз, а при обработке шу­ моподобных сигналов от местности лишь в pQV раз, то ди­ намический диапазон выходного сигнала N / УN — ]/77. Для оценки объема информации найдем требуемое число уровней квантования и = УN, определяющее разрядность системы обработки: г — log2 п = 3,32 Ign [см. (5.7.21)]. С учетом последовательного съема информации и наличия квадратурных каналов общий объем информации равен 2 rmN, что при указанных выше значениях величин имеет порядок 108 бит.

Для обеспечения обработки информации в темпе полета требуется высокое быстродействие. При нефокусированной антенне в каждом периоде повторения в разрешаемом участке прибавляется один импульс цели и отбрасывается первый из общего числа накапливаемых импульсов (что равносильно одной операции сложения и одной вычитания). Поэтому скорость работы системы обработки 2mFп=106...

107 опер. / с. При фокусированной антенне операция сло­ жения должна производиться после коррекции фазы в каж­ дом периоде повторения, что может повысить требуемое быстродействие до 109 ... 1010 опер. / с.

Важным требованием является минимальная задержка в выдаче информации не только за счет пролета участка, тре­ буемого для формирования искусственного раскрыва (т. е. единицы секунд), но главным образом за счет особенности выполнения операций в данной системе обработки. Такая задержка может составлять несколько минут и даже часов.

6.Оптическая обработка сигналов в РСА. Большую роль

вразвитии РСА сыграли когерентные оптические аналого­ вые устройства обработки. Дело в том, что один кадр стан­

489