книги из ГПНТБ / Вулконский Б.М. Основы теории радиолокационных устройств самонаведения ракет учебник

Г л а в а 2

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ САМОНАВЕДЕНИЯ

§ 7. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ САМОНАВЕДЕНИЯ

Радиолокационное устройство (головка) самонаведения (РГС) представляет собой малогабаритную бортовую радиолокационную установку, предназначенную для автоматического сопровождения цели по направлению (угловым координатам). Кроме этой основ­ ной задачи, РГС решает ряд дополнительных задач. К их числу от­ носятся: автоматический поиск цели (если отсутствует целеуказа­ ние), захват цели, селекция сигналов захваченной цели, недопуще­ ние срыва слежения при кратковременном исчезновении сигналов цели, защита от различных видов помех и др.

Для улучшения разрешающей способности радиолокационного устройства в его схеме, как правило, используется селекция цели по дальности, то есть поиск цели по дальности захват и автоматиче­ ское сопровождение (АСД). Система АСД обеспечивает возмож­ ность слежения за одной целью при наличии в угле зрения несколь­ ких (если цели находятся на разных дальностях).

Воснове работы РГС, как и всякой другой радиолокационной системы, лежит либо явление вторичного излучения радиоволн объ­ ектами, электрические параметры которых отличны от параметров среды, в которой радиоволны распространяются, либо явление соб­ ственного излучения радиоволн объектами.

Впервом случае в состав устройства самонаведения должен

входить генератор первичной энергии — радиопередатчик. Если радиопередатчик размещается на борту ракеты, то РГС называется активной, если он находится вне ракеты, то полуактивной.

Во втором случае генератором энергии является сама цель (из­ лучение радиоустановок и электромеханизмов цели, тепловое радио­ излучение ее корпуса). РГС работает здесь по принципу радиопе­ ленгатора и называется пассивной.

Основными техническими показателями устройства самонаведе­ ния являются его дальность действия и точность работы. Для ак­

60

тивных и Нолуактйвных радиолокационных устройств эти показа­ тели определяются мощностью вторичного излучения цели. Мощ­ ность вторичного излучения зависит от ряда факторов и прежде всего от плотности потока мощности первичной электромагнитной волны в точке цели, длины волны и рассеивающих свойств цели.

Плотность потока мощности первичной электромагнитной волны в точке цели, как известно, равна

где Ру — мощность излучаемых колебаний;

Gi — коэффициент направленного действия передающей ан­ тенны.

Если радиолокационное устройство работает в режиме непре­ рывного излучения, то Ру есть средняя излучаемая мощность, если в импульсном режиме, то Ру есть мощность в импульсе. Использо­ вание режима непрерывного излучения в РГС сопряжено с рядом трудностей. Прежде всего, возникает довольно сложная техниче­ ская задача защиты приемника от прямого излучения, так как при­ емник и передатчик в этом случае должны работать одновременно. Далее, непрерывное излучение исключает возможность стробиро­ вания приемника, то есть отпирание его только в момент и на вре­ мя прихода отраженного сигнала от цели (эхо-сигнала). Приемник открыт все время и, следовательно, возникает проблема борьбы с такими помехами, как, например, отражения от обтекателя.

При импульсном режиме работы мощность в импульсе Ри связа­ на со средней мощностью Рср, характеризующей энергопотребление устройства, следующей зависимостью:

41* п (2-3)

Из формул (2-1) и (2-3) видно, что при заданной длине волны мощность вторичного излучения одной и той же цели зависит по крайней мере от четырех параметров РГС: коэффициента направ­ ленного действия передающей артенны Gb средней мощности Рср излучения за период Тп, длительности зондирующего импульса тн и частоты посылок Fa.

61

Зависимость мощности вторичного излучения от длины волны представляет самостоятельный интерес, поскольку она определяет диапазон радиоволн, пригодный для радиолокационного самонаве­ дения. Характерным для этой зависимости является то, что с умень­ шением длины волны мощность вторичного излучения (при работе по той же цели) возрастает. Этот рост замедляется с ростом отно­ шения линейных размеров цели к длине волны. И когда линейные размеры цели оказываются много больше длины волны, мощность вторичного излучения практически перестает зависеть от длины волны. Поэтому, с этой точки зрения, для работы по таким целям, как корабли, самолеты, ракеты, наиболее пригодным оказывается диапазон сантиметровых и даже миллиметровых волн.

Более четкие ограничения на выбор рабочей длины волны РГС накладываются габаритными требованиями и условиями распрост­ ранения радиоволн в атмосфере.

Известно, что для обеспечения той же направленности излуче­ ния размеры антенны радиолокационного устройства тем меньше, чем короче длина волны. Простые расчеты показывают, что исполь­ зование в РГС длин волн больше 3—4 см может создать трудности в ее размещении даже на сравнительно крупной ракете.

Со стороны коротких волн рабочий диапазон РГС ограничен явлением затухания'энергии радиоволн в атмосфере. Так, если при А=10 см затухание практически отсутствует, а при Х =2—10 см незначительно, то при Х<2 см оно начинает сказываться весьма заметно, особенно при плохих метеоусловиях. Поэтому использо­ вание в РГС длин волн много меньше 2 см нецелесообразно, тем более, что при этом неизбежны трудности, связанные с генерацией очень высоких частот.

Таким образом, для активных и полуактивных радиолокацион­ ных устройств самонаведения мощность вторичного излучения, а следовательно, их дальность и точность в какой-то мере могут конт­ ролироваться еще на этапе проектирования.

Дальность и точность пассивных радиолокационных устройств зависят от интенсивности собственного радиоизлучения цели. Интенсивность радиоизлучения даже одной и той же цели может меняться в широких пределах. Поэтому дальность действия пас­ сивного устройства является менее определенным параметром, чем активного или полуактивного. Именно в этом и состоит один из основных недостатков пассивных РГС по сравнению с активными и полуактивными.

Остановимся коротко на других особенностях различных типов самонаведения.

Главным достоинством активного самонаведения является его полная автономность. Если цель захватывается на траектории поле­ та ракеты, то активная РГС не накладывает никаких ограничений на дальность стрельбы ракетой. После начала активного самонаве­

62

дения маневр носителя не стеснен. Активное самонаведение допус­ кает залповое использование ракет по групповой цели.

К недостаткам активного самонаведения относятся: отсутствие скрытности, что облегчает противодействие со стороны противника, и возможность интерференционных явлений при залповом исполь­ зовании, что вынуждает разность рабочие частоты отдельных уст­ ройств.

Полуактивное самонаведение обладает тем достоинством, что радиопередатчик здесь является стационарной аппаратурой много­ разового действия, и поэтому его мощность и направленность излу­ чения обычно не ограничены ни габаритными, ни экономическими соображениями. Большая мощность и направленность радиопере­ датчика обеспечивает получение больших дальностей действия полуактивных устройств по сравнению с активными. Бортовая аппа­ ратура полуактивной РГС по сравнению с активной получается простой, легкой и дешевой. Полуактивное самонаведение допускает возможность залповой стрельбы ракетами, но по одной цели.

Основным недостатком полуактивного самонаведения является ограничение, которое оно накладывает на дальность стрельбы ра­ кетой. Если радиопередатчик размещен на носителе, то дальность стрельбы не может превосходить дальности действия радиолинии самонаведения (обычно дальности прямой видимости). Кроме того, полуактивное устройство для работы системы АСД должно прини­ мать синхроимпульсы радиопередатчика, для чего используется обычно специальный хвостовой приемник ракеты. Таким образом, радиопередатчик полуактивной РГС работает на две линии: на ли­ нию облучения цели (линию подсветки) и линию синхронизации. И если радиопередатчик размещен на носителе, то это неизбежно стесняет маневр носителя и демаскирует его.

Достоинством пассивного самонаведения является абсолютная скрытность его работы и простота аппаратуры. Пассивное самона­ ведение так же, как и активное, не ограничивает дальность стрель­ бы ракетой и не сковывает маневрирование носителя. Основной же недостаток пассивных РГС, как уже отмечалось, состоит в прямой зависимости дальности действия от интенсивности собственного из­ лучения цели, которое подвержено резким колебаниям. Этот недо­ статок в значительной мере затрудняет практическое применение пассивных РГС.

Главной составной частью любого радиолокационного устрой­ ства самонаведения является система автоматического сопровож­ дения цели по угловым координатам (АСН). Система'АСН вклю­ чает антенну, приемник, блок формирования сигналов коррекции и исполнительный следящий привод антенны. При неподвижном ко­ ординаторе следящий привод антенны отсутствует и контур АСН замыкается через корпус ракеты. Дополнительные элементы, обес­ печивающие правильное функционирование схемы РГС, были в ос­ новном перечислены в § 6.

63

В активйых и полуактивйых РГС большая роль в обеспечений качественной работы устройства отводится системе АСД. Система автоматического сопровождения цели по дальности (автоселектор' дальности) работает по принципу ключа. Она стробирует приемник РГС, то есть большую часть времени держит его закрытым и от­ крывает только в определенные моменты на время, необходимое для приема отраженного от цели импульса. Работа системы АСД

а)

SJ

Рис. 2-1

синхронизируется импульсами радиопередатчика. В каждый -пе­ риод посылки приемник может принять сигнал, отраженный только той целью, которая находится на определенной дальности. В режи­ ме поиска цели по дальности, от периода посылки к периоду, мо­ мент открывания приемника относительно синхроимпульса сме­ щается. Система при этом как бы просматривает по дальности те­

64

лесный угол зрения. В режиме слежения момент открывания прием­ ника автоматически согласовывается с моментом прихода эхо-им­ пульса от захваченной цели.

Функциональные связи систем АСН и АСД для активной и полуактивной РГС показаны на рис. 2-1.

§ 8. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РГС АКТИВНОГО И ПОЛУАКТИВНОГО ТИПОВ

Дальностью действия радиолокационного устройства самонаве­ дения называется расстояние между ракетой и целью, на котором цель захватывается устройством.

Из самого определения ясно, что понятие дальности действия всегда требует уточнений относительно характера цели и условий использования РГС. Более того, процесс захвата цели в РГС яв­ ляется операцией, связанной с выделением слабых флуктуирующих сигналов на фоне различного рода случайных помех. Выделение по­ лезного сигнала в этих условиях может быть выполнено лишь с оп­ ределенной степенью достоверности. Следовательно, захват цели —■ событие случайное и понятие дальности действия имеет смысл, если указывается, при какой вероятности захвата цели эта дальность определена.

Однако дальность действия РГС зависит не только от случайных факторов, но и от вполне определенных параметров устройства: мощности излучения, длины волны, направленности антенн, затуха­ ния энергии излучения в атмосфере и др. Для выяснения этих за­ висимостей достаточно воспользоваться простыми энергетическими соотношениями без учета случайного характера отдельных входя­ щих в них величин.

Начнем со случая, когда для излучения и приема используются отдельные разнесенные антенны. Этот случай соответствует полуактивному самонаведению, когда радиопередатчик размещен на но­

а(Ly -j- L nja) — коэффициент, учитывающий затухание радиоволн

ватмосфере на пути Lj + L n/a;

Ра— импульсная мощность передатчика;

Рс— мощность сигнала на входе приемника без, учета залухания радиоволн в атмосфере;

С?! и G— коэффициенты направленного действия (к.н.д.)

передающей и приемной антенн, соответственно; X— длина волны излучения;

а— эффективная отражающая площадь цели;

ть и rj— к.п.д. волноводно-фидерной линии передатчика и приемника;

Е-— безразмерный коэффициент, учитывающий изме­ нение поляризации вторичного поля по сравнению с первичным.

Если в (2-4) положить Рс равной чувствительности РГС по мощности ЯПр.ш1п, то есть минимальной мощности входного сигнала, при которой последний еще может быть захвачен устройством (с заданной вероятностью), то получим формулу для максимального значения произведения дальностей

ной цели и данных условий распространения радиоволн произведе­ ние дальности действия полуактивной РГС Zo п/а на дальность от передатчика до цели L0i есть величина постоянная.

При увеличении L01 дальность действия РГС уменьшается и на­ оборот.

Если в полуактивной системе самонаведения передатчик разме­

Формула дальности действия активной РГС получается из (2-6), если положить в ней Gi = G, так как в активном устройстве для излучения и приема используется одна и та же антенна

Сравним возможности активных и полуактивных устройств по дальности действия. Для этого возьмем отношение дальностей при активном самонаведении (2-7) и при полуактивном, когда цель за­ хватывается до старта ракеты (2-6). Будем считать, что параметры РГС (бортовой аппаратуры) в одном и другом случаях одинаковы и ослабление энергии радиоволн в атмосфере отсутствует, тогда

66

Видно, что отношение дальностей действия устройств опреде­ ляется отношением мощностей излучения и коэффициентов направ­ ленности излучающих антенн. И так как возможность использова­ ния более мощных радиопередатчиков и более остронаправленных излучающих антенн в полуактивных системах значительно больше, чем в активных, то и дальность действия полуактивных РГС может значительно превышать дальность действия активных.

Однако, если в полуактивной системе захват цели до старта не­ возможен и расстояние от точки старта до цели велико, то она ока­ зывается энергетически менее выгодной, чем активная система. Действительно, при тех же допущениях из (2-5) и (2-6) имеем

Следовательно, при L0 < Ан для полуактивного самонаведения потребуется значительно большая мощность излучения, чем для ак­ тивного. Таким образом, с увеличением дальности стрельбы раке­ той энергетические преимущества активного самонаведения по сра­ внению с полуактивным возрастают.

Формулы (2-5), (2-6) (2-7), определяющие дальность действия полуактивных и активных РГС, показывают, что при прочих рав­ ных условиях дальность действия устройства тем выше, чем больше излучаемая мощность, направленность антенн, отражающие свой­ ства цели и чем лучше (меньше) чувствительность приемника. Од­ нако все эти величины находятся под корнем четвертой степени. Поэтому добиться существенного увеличения дальности действия РГС за счет изменения какого-либо из параметров весьма трудно*). Так, например, для увеличения До всего в два раза потребовалось бы увеличить мощность передатчика или улучшить чувствитель­ ность приемника в 16 раз **). Правда, это имеет и свои положитель­ ные стороны. На дальность действия РГС весьма слабо влияют слу­ чайные отклонения стоящих под корнем величин. Так, при умень­ шении мощности излучения в два раза дальность действия падает всего в 1,2 раза. По этой же причине разница в дальности действия

*): Исключение составляет к.н.д. антенны при активном самонаведении. Так, для увеличения дальности действия РГС в два раза, при прочих равных условиях, требуется увеличить G только в четыре раза.

**) Заметный резерв в увеличении дальности за счет улучшения чувствитель­ ности приемника открывается в связи с использованием малошумящих усилите­ лей СВЧ, таких как параметрические усилители на туннельных диодах и др.

67

велика.

Остановимся подробнее на влиянии мощности излучения, пара­ метров зондирующего импульса, параметров антенны и длины вол­ ны на дальность действия РГС.

Из (2-6) и (2-7) следует, что дальность действия РГС пропор­ циональна корню четвертой степени из отношения импульсной мощ­ ности к чувствительности приемника.

Выразим в (2-11) импульсную мощность Рп через среднюю мощность излучения РСр по формуле (2-3)

На основании (2-12) иногда делается неправильное заключение, что импульсный режим работы позволяет при сравнительно не­ большой средней мощности излучения получить большую дальность действия устройства за счет уменьшения длительности зондирую­ щих импульсов. Ошибочность такого вывода становится очевидной, если вспомнить, что с длительностью зондирующего импульса свя­ зана не только излучаемая мощность в импульсе Рп, но и чувстви­ тельность приемника РпрштПри уменьшении ти расширяется ча­ стотный спектр импульса и потому должна быть увеличена полоса пропускания приемника /7пр.

Расширение П пр приводит к пропорциональному возрастанию мощности шумов, приведенных ко входу приемника, и ухудшению

чувствительности приемника. Следовательно, Pnpmin-----— и ''и

68

Действительно, из (2-3) имеем —Ра'сн. Произведение же им-

* П

пульсной мощности Р„ на длительность импульса тн дает полную энергию импульса З т. Это значит, что дальность действия РГС в конечном счете определяется не мощностью зондирующего импуль­ са, а его энергией

этом увеличивается время накапливания энергии источника пита­ ния в модуляторе магнетронного генератора.и соответственно уве­ личивается излучаемая в импульсе энергия. Но частота посылок F a связана с минимальным потоком информации на входе устройства (числом принятых эхо-импульсов в единицу времени), необходимым для обеспечения заданной вероятности обнаружения и захвата це­ ли. Чем выше частота посылок, тем лучше условия обнаружения и захвата цели. Поэтому возможности выигрыша в дальности дейст­ вия РГС за счет уменьшения F n весьма ограничены.

Таким образом, увеличение дальности действия РГС за счет увеличения энергии зондирующих импульсов можно получить толь­ ко путем увеличения средней излучаемой мощности Рср, то есть путем увеличения мощности источников питания.

Из (2 -6 ) и (2-7) следует, что дальность действия РГС пропор­ циональна корню четвертой степени из произведения коэффициен­ тов направленности антенн и квадрата длины волны:

для полуактивных РГС и

(2-17)

для активных.

Коэффициент направленного действия антенны связан с дейст­ вующей площадью антенны известным соотношением

69