Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

Рисунок 10.15, а иллюстрирует геометрические соотно­ шения в плоскости, перпендикулярной вектору скорости летательного аппарата, а рнс. 10.15, б показывает след

Рис. 10.15. Геометрические соотношения и запись сигнала на фото­ пленке в РСА

луча в плоскости земли в момент времени tu причем ось х характеризует путевую дальность, так что моменту tt соответствует точка хг. Затем по мере перемещения РЛС в точку х2 начинает облучаться цель Цъ находящаяся на даль­ ности Dlt а затем и цель Ц2. На рис. 10.15, в показана часть фотопленки с записью сигналов. Запись сигнала от точеч­ ной цели представляет собою чередующиеся светлые и темные линии различной длины, соответствующие поло­ жительным и отрицательным полупериодам огибающей на рис. 10.14, в (или рис. 10.14, г). Записи вдоль строк, рас­ положенных поперек пленки, соответствуют различным дальностям. Таким образом, расстояния поперек фотоплен­ ки соответствуют наклонной дальности до точек земной по­ верхности, а расстояния вдоль отображают положение лета­ тельного аппарата на линии полета. Ширина фотопленки выбирается в соответствии с интервалом Д/ — 2 (Dm&x —

490

— -Отт) I с, т. e. с шириной зоны обзора. Запись отражен­ ного сигнала с выхода фазового детектора (рис. 10.14,в или г), дополненного постоянной составляющей, производит­ ся на фотопленку в поперечном направлении путем фото­ графирования линейной развертки с яркостной модуляцией на экране ЭЛТ (рис. 10.9, б). При этом информация об амплитуде определяется яркостью, а о фазе длиной чередую­ щихся темных и светлых линий и интервалом между ними. Заметим, что в связи с техническими трудностями синхрони­ зации квадратурных каналов и согласования промежуточ­ ных и окончательных результатов обработки обычно в системах оптической обработки используется сигнал лишь одного канала.

Пленка на рис. 10.15, в протягивается со скоростью, про­ порциональной скорости летательного аппарата IV. Об­ лучение цели Цг продолжается, пока летательный аппа­ рат не перейдет в точку х4, т. е. /4 — /2 — время синтези­

образом, продольная запись передает в определенном мас­ штабе распределение сигналов по раскрыву синтезирован­ ной антенны. Фотохимическая обработка пленки произво­ дится сразу же (что может осуществляться за время от минут до нескольких секунд, т. е. почти в реальном време­ ни) либо в течение специального этапа обработки после про­ ведения полета.

Так как форма сигнала, принимаемого РСА от точечной цели, определяется по амплитуде квадратом ДН, а по фазе квадратичной зависимостью от времени [линейная зависи­ мость от времени доплеровского сдвига частоты (10.2.23), (10.2.24)], то с точностью до постоянного амплитудного

является функцией дальности и скорости перемещения РЛС. При оптической когерентной обработке в РСА пленка с первичной записью сигналов, где сохранены как амплитуд­ ные, так и фазовые соотношения, протягивается вдоль окна оптического устройства (рис. 10.16) со скоростью v ~ W. Оптическое окно облучается плоской волной когерентного пучка света, генерируемого лазером. Если на пути света в

491

окне разместить фильтр-маску с требуемым согласно (10.2.25) законом пропускания света, то с помощью оптического пре­ образования во временной области (см. § 9.3, п. 6) будет производиться оптимальная фильтрация всех целей вдоль и поперек пути в рамках нефокусированной антенны. Так как оптимальная обработка на дистанции, соответствую­ щей синтезированной апертуре, равносильна сжатию, то на пленке выходного изображения, которая перемещается синхронно с пленкой первичной записи, образуется радиоло­ кационное изображение с высоким разрешением вдоль линии пути.

Рис. 10.16. Оптическая обработка сигналов в РСА

Однако при оптической обработке сигналов РСА имеет место еще и самофокусировка. Действительно, плоская па­ дающая световая волна, показанная на рис. 10.16, а, проходя через пленку, модулируется по амплитуде и фазе записанным сигналом, но так как фаза этого сигнала изменяется по квадратичному закону, то с другой стороны пленки обра­ зуется вогнутый сферический фронт, что означает наличие фокусировки света в некоторой точке на расстоянии z0 от пленки. Размеры сфокусированного пятна определяют в соответствующем масштабе ширину диаграммы направлен­ ности РСА. Так как лучи от различных участков пленки проходят до пятна различные пути, то фазовые сдвиги сигналов могут компенсироваться (фокусированная антен­ на). Для этого, исходя из равенства фазовых соотношений

492

фокусное расстояние собирающей линзы

X = 3 см, D — 50 км, Мх — 10~4, Хсв — 5 • 10-7 м имеем zo = 30 м. Поэтому используют цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием £фл, уменьшающую масштаб изоб­ ражения. Тогда сфокусированное изображение будет на­ ходиться на расстоянии £ф < £фл, которое определяется из соотношения 1 / £ф =» 1 / £фл + 1 / z0.

Для исключения прямого прохождения луча лазера на изображение цели надо ввести в пространственно-времен­ ные спектры сигналов записи специальную частоту смеще­ ния. Иначе говоря, запись входного сигнала производится прямо на промежуточной частоте (иногда без фазового детектора). В результате этого, как это описано в § 9.3 для оптического анализатора, происходит смещение точки фоку­ сировки пятна на расстояние х0, пропорциональное этой частоте (рис. 10.16, б).

7. PC А как радиоголографическая система. Существует аналогия между РСА и оптической голографической систе­ мой. В оптической голографии, где источник когерентно­ го света—лазер освещает объект, отраженные волны интер­ ферируют с пучком опорных световых волн. При этом каж­ дый точечный отражатель дает на фотопленке интерферен­ ционные кольца, а весь объект — систему интерференцион­ ных полос. Если после проявления осветить фотопленку пуч­ ком когерентного света, то интерференционные полосы вос­ станавливают начальные отраженные волны, которые фор­ мируют трехмерное изображение исходного объекта.

В РСА, где когерентные электромагнитные волны осве­ щают местность сбоку самолета или под ним, отраженные импульсы смешиваются с опорным сигналом (когерентного гетеродина) и создают интерференционную картину, кото­ рая, см. в § 10.2, п. 5, отображается на экране ЭЛТ и фо­ тографируется на движущуюся пленку, скорость которой пропорциональна скорости самолета. Интерференционная картина от каждого отражателя записывается не в виде кольцевого рисунка, а в виде узкой прерывистой линии, параллельной краю пленки (см. рись 10.15, в). Такую прерывистую линию можно рассматривать как поперечное сечение кольцевой интерференционной картины (ее толщи­ на соответствует длительности импульса). Близкие отража­ тели дают накладывающиеся последовательности преры­

493

вистых линий. Как и в оптических голограммах, два семейства интерференционных картин могут налагаться друг на друга без нарушения их способности формировать отдельные изображения.

После освещения пленки пучком когерентного света интерференционная картина от каждого отражателя пре­ образует свет в расходящуюся волну, которая фокусирует­ ся линзой. Множество сигналов от всех отражателей преоб­ разуются таким образом в копии радиоволн, принятых ан­ тенной, и дают поэтому миниатюрное изображение мест­ ности.

Рис. 10.17. Цифровая обработка сигналов в РСА

8. Цифровая обработка сигналов в РСА. Наиболее перс­ пективным методом получения в РСА изображения мест­ ности на борту самолета в реальном масштабе времени явля­ ется цифровая обработка сигналов. В отличие от оптических устройств в цифровых устройствах целесообразно вести обработку на видеочастоте. Для этого надо использовать обе квадратурные составляющие по схеме 4-канального оптимального корреляционного приемника (см. §4.1, п. 6).

Цифровое устройство представляет собой многоканаль­

вал дискретизации (тактовая частота). Имеется два'масси­ ва памяти для двух квадратурных видеочастотных состав­ ляющих сигнала (/) и Х2 (/) (рис. 10.17), поступающих с выходов фазовых детекторов (см. рис. 4.3). Каждый мас­ сив памяти квадратурных каналов включает по N = == б/эф/^Тп канальных регистров, где N—число импульсов, принимаемых за время формирования синтезированной антенны. Разряд регистра в АЦП обычно выбирается г ~ = 8 ... 16 плюс знак, что определяется требуемым дина­ мическим диапазоном (см. § 10.2, п. 5).

494

Цифровой сигнал после АЦП последовательно распре­ деляется по т каналам дальности первого канального ре­ гистра, а затем в следующих периодах повторения пере­ писывается в остальные канальные регистры, т. е. в п-м периоде зондирования сигналы разных дальностей с выхода приемника запоминаются в 1-м канальном регистре, сиг­ налы (п — 1)-го периода — во 2-м канальном регистре, (п — 2)-го периода — в 3-м и т. д. Значения сигналов этих рагистров последовательно умножаются на весовые коэф­ фициенты Slk и S2kt соответствующие априорно известному сигналу и хранящиеся в постоянном запоминающем устрой­ стве вычислителя. Далее происходит суммирование взвешен­ ных составляющих регистров данного канала дальности и в соответствии со схемой оптимальной обработки по видео­ частоте рис. 4.3 объединение четырех выходов в два путем алгебраического суммирования. Затем производится гео­

2*^2kAln_ft+1—Slk X2n-fe+1

Л= 1

Как следует из (10.2.23), огибающие Хх (/) и Х2 (/) ви­ деоимпульсов соответственно пропорциональны функциям вида cos (at2) и sin (bt2) и ДН антенны по мощности. Анало­ гичный вид с учетом зеркального расположения имеют при оптимальной обработке весовые коэффициенты Slk, S2k-

Обработанные сигналы с выходов каждого канала даль­ ности последовательно со скоростью 1 / поступают на распределитель, в котором скорость съема информации может быть заметно уменьшена (1 / Т2 ■< 1 / 7\). При этом устраняется избыточность, имеющаяся в радиолокационном сигнале (см. § 12.5, п. 2). Отсюда код сигнала поступает в ЦАП, где он превращается в видеосигнал, несущий информа­ цию об изображении местности.

Скорость обработки информации цифровой системы сигналов РСА (с-1) в устройстве по схеме рис. 10.16 равна примерно 1 / 7\ ~ mFn, а объем памяти с учетом двух квадратурных каналов и последовательным съемом ин­ формации с канальных регистров (как имеется в виду на на рис. 10.16) равен 2 гmN. При этом обработка ведется в реальном времени с задержкой на N Та. При нефокусированной антенне объем памяти можно значительно сократить

495

до 2 rm, располагая регистры памяти на выходе каждого квадратурного канала перед квадраторами. Дня уменьше­ ния требований к быстродействию используются алгоритмы БПФ.

Цифровая обработка в РСА позволяет получить изобра­ жение в темпе полета с‘несущественной задержкой по вре­ мени как для непосредственной индикации на борту лета­ тельного аппарата, так и для передачи по радиолинии. Другими преимуществами являются возможность получе­ ния большого динамического диапазона выходного сигнала, отсутствие специфичных искажений, связанных с наличием частоты смещения, необходимой при оптической обработке (§ 10.2, п. 5); возможность согласования динамических диа­ пазонов сигнала и индикатора. Недостаток — сложность реализации, связанной с необходимостью обеспечения боль­ ших объемов оперативной памяти и быстродействия, тем больших, чем больше требуемое разрешение по линии пути.

9. Понятие о радиовидении. В радиолокации, где луч антенны осуществляет сканирование наблюдаемого объек­ та, разрешаемый элемент 5DT на объекте ( в тангенциальном направлении) определяется формулой (10.2.2). Поэтому в дальней зоне, где D > dX / X, имеем низкое разрешение: 6DT«W/dA >dA. Лишь на границе ближней зоны 6DT ~

«<* А.

РСА с фокусированной антенной обеспечивает факти­ чески возможность работы на расстояниях, где еще не сформировалась ДН эффективной антенны. Соответственно, как показано в § 10.2, п. 2, 6DT = dA I 2, см. (10.2.14). Однако время обзора РСА ограничено скоростью движения носителя антенны и обработкой суммарного сигнала.

Быстродействующие системы радиовидения, основанные на моделировании оптических методов (квазиоптические), могут быть созданы в миллиметровом диапазоне волн. Для этого диапазона характерны относительно малое атмосфер­ ное затухание и высокая разрешающая способность. Могут быть использованы два метода: формирование изображения с помощью СВЧ объективов (диэлектрические линзы, зон­ ные пластинки, зеркальные антенны) и голографическое радиовидение, состоящее из таких этапов, как запись СВЧ голограммы на радиоволне, преобразование масштаба го­ лограммы, восстановление голограммы в световом диапазо­ не.*

* См. Экспериментальная радиооптика/ Под ред. В. А. Зве­ рева и Н. С. Степанова. — Мл Наука, Физматгиз, 1979.

496

Глава 11

РАДИОЛОКАЦИЯ С АКТИВНЫМ ОТВЕТОМ

11.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛС

САКТИВНЫМ ОТВЕТОМ

1.Принцип действия радиолокационной системы с актив­ ным ответом. Во введении (рис. 1, б) уже давалась краткая характеристика радиолокации с активным ответом или, как

еееще именуют, вторичной радиолокации. Основное отли­ чие ее от радиолокации с пассивным ответом следует из са­ мого наименования: вместо пассивного ответа, образуемого при отражении радиоволны от цели, используется активный ответ, т. е. ответный сигнал, формируемый специальным бортовым ответчиком.

Радиолокация с активным ответом имеет следующие особенности: большая дальность действия по сравнению с пассивным ответом при весьма маломощном передатчике ответчика; позволяет получать дополнительную информа­ цию (бортовой номер, высоту по бортовому барометрическо­ му высотомеру, остаток топлива и т. д.), что значительно расширяет возможности радиолокации при управлении воздушным движением, отсутствуют мешающие отражения от гидрометеоров и от местных предметов, в отличие от РЛС с СДЦ при активном ответе сохраняется возможность слежения за целями, у которых Гд = О (полет по кругу). РЛС с активным ответом являются основным средством наблюдения за воздушной обстановкой в системах УВД и особенно в АС УВД, используются в системах предупреж­ дения столкновения самолетов, для определения государ­ ственной принадлежности самолетов (система опознавания) и для повышения дальности обнаружения малоразмерных целей.

РЛС с активным ответом могут быть совмещенными, автономными и комбинированными. Совмещенная система наиболее проста. Она состоит из ответчика, установленно­ го на самолете и обычной РЛС, выполняющей функции запросчика.

Вкачестве запросных сигналов используются зондирую­ щие импульсы РЛС либо специальные кодовые импульсы (например, два зондирующих импульса, следующих друг за другом через определенный интервал времени), выраба­ тываемые передатчиком той же РЛС. Совмещение по частоте ответа, т. е. равенство несущих частот ответных

497

импульсов и РЛС, в настоящее время не применяются изза трудностей разделения ответных и отраженных сигналов и опасности ложных запросов данного ответчика другими (явление «зуммирования»).

Автономная система включает специальный запросчик, отличающийся от обычной импульсной РЛС лишь наличием шифратора (устройства кодирования) запроса и дешифрато­ ра ответа. Кодирование при запросе позволяет отсеять многие помехи и облегчает отбор нужной информации. В ответчике принятые сигналы запроса воздействуют на де­ шифратор запроса, который пропускает сигналы с нужным кодом. Последние через шифратор (куда вводятся также дополнительные данные) воздействуют на передатчик ответ­ чика, вырабатывающий кодированный ответный сигнал, несущая частота которого отличается от частоты запрос­ ного сигнала. Антенна ответчика обычно ненаправленная, обеспечивающая возможность запроса с любого направле­ ния.

Для обеспечения нормальной работы дешифратор при­ емника ответчика запирается после приема запросного импульса («парализация») на время в.несколько десятков микросекунд. Кроме того, принимаются меры по ограниче­ нию числа ответов ответчика, которое определяется его средней мощностью. При чрезмерном увеличении средней частоты ответов можно предусмотреть запирание приемни­ ка или уменьшение его усиления посредством специальной АРУ.

В комбинированных системах с активным ответом ис­ пользуется двухканальный запрос с помощью синхронно излучаемых запросного сигнала и зондирующего сигнала РЛС с пассивным ответом. Ответный сигнал ответчика со­ здается только при одновременном действии этих двух сигналов. Достоинством таких систем является возможность сохранения высокой разрешающей способности РЛС с пассивным ответом без применения специальных остро­

запросных импульсов и при выработке кодирующих им­ пульсов. Кроме того, имеется постоянное запаздывание при анализе ответного сигнала в запросчике.

Конструктивно комбинированные системы строятся как на базе использования раздельных первичных и вторичных

498

РЛС, так и объединения их 6 единые радиолокационные комплексы.

На рис. 11.1 изображена возможная структурная схема комбинированной системы с активным ответом, используе­ мой в гражданской авиации. Запрос осуществляется коди­ рованными импульсами (два импульса, разделенные опре­

приемника запросчика («вторичной РЛС») для выполнения следующих операций: декодирования; подавления сигналов, для которых запрос послан по боковым лепесткам антенны

499