книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

дит при всех других равных условиях к увеличению веса и размеров антенной системы и аппаратуры станции. Стремле­ ние создать удобства в работе операторов, улучшить условия обслуживания и ремонта аппаратуры, повысить надежность ее работы влечет за собой увеличение размеров помещений для установки радиолокационных станций. Поэтому к тем ра­ диолокационным станциям, вес и габариты которых играют важную роль с точки зрения их боевого применения, предъ­ являются минимальные требования в отношении дальности действия, точности и других тактических параметров.

Рис. 135. Диаграмма направленности специальной формы

При конструировании радиолокационной аппаратуры, вес которой должен быть минимальным (например, в радиолока­ ционных взрывателях), прибегают к различным техническим приемам, снижающим габариты и величину потребляемой

проводной монтаж, вместо радиоламп устанавливаются полу­ проводниковые приборы, тяжелые металлы заменяются лег­ кими сплавами и т. п.

Время приведения в боевую готовность — также одна из основных тактических характеристик радиолокационных стан­ ций. Для развернутых на позиции наземных станций, кора­ бельной и самолетной аппаратуры под этим термином обычно понимают время, необходимое для включения станции, ее прогрева и установления нормального режима работы. В за­ висимости от типа и назначения станции это время может со­ ставлять от единиц до десятка минут.

249

Для подвижных наземных станций вместо термина «время приведения в боевую готовность» часто применяют два тер­ мина, характеризующие специфику конструкции и примене­ ния этих станций: «время развертывания (свертывания) стан­ ции на позиции» и «время включения (выключения) стан­ ции». Первый из этих терминов характеризует скорость, с которой расчет станции может развернуть прибывшую на позицию станцию. Так как время развертывания во многом зависит от конструкции станций, то при проектировании всегда учитывается их тактическое назначение. Так, напри­ мер, для станций орудийной наводки это время должно быть сведено к минимуму, иногда даже за счет ухудшения других характеристик станций; оно должно измеряться минутами, иначе будет задержано приведение в боевую готовность всей батареи. Наоборот, для тяжелых полустационарных станций дальнего обнаружения этот параметр не основной и время развертывания может равняться нескольким десяткам часов, Аналогично предъявляются различные требования и ко вре­ мени свертывания.

Под термином «время включения (выключения) станции» обычно понимается время приведения в боевое (рабочее) со­ стояние развернутой станции, т. е. время, необходимое для ее включения, разогрева и установления нормального режима работы.

Надежность работы станций. Надежность работы станций часто характеризуют количеством часов безаварийной, или, как обычно говорят, безотказной, работы аппаратуры либо вероятностью ее безотказной работы в течение требуемого периода времени (за время боевого вылета самолета, выхода корабля, проведения боевой операции, полета реактивного снаряда и т. д.).

При проектировании радиолокационной аппаратуры всегда стремятся повысить надежность ее работы. Однако делают это в разумных пределах с учетом условий боевого приме­ нения проектируемых станций, так как излишнее повышение надежности ведет обычно к напрасному удорожанию аппа­ ратуры, увеличению ее габаритов и веса.

В связи с тяжелыми механическими и климатическими условиями, в которых часто работают радиолокационные станции, при их конструировании принимают специальные меры, направленные на ослабление влияния тряски, ударов, влаги и изменения температуры.

МАКСИМАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Выше уже указывалось, что одна из основных характери­ стик радиолокационной станции— ее максимальная (пре­ дельная) дальность действия. Рассмотрим теперь более по­

250

дробно, от каких технических параметров аппаратуры зави­ сит эта величина.

С энергетической точки зрения максимальная дальность действия радиолокационной станции определяется в конечном счете ее способностью принять и зарегистрировать отражен­ ный от объекта сигнал. На величину максимальной дально­ сти действия станции влияют:

—мощность передатчика и свойства передающей антенны, определяющие интенсивность электромагнитного поля, облу­ чающего объект;

—отражательные свойства объекта, определяющие, какая часть падающей на него энергии отразится к станции;

—предельная чувствительность приемного устройства станции (определяемая как приемником, так и антенно-фи­ дерным устройством), характеризующая уровень отражен­ ного сигнала, который приемник еще может уловить;

—свойства среды, в которой распространяются радио­ волны.

Если принять, что поглощения энергии в атмосфере не происходит и что между станцией и целью существует пря­ мая видимость, зависимость дальности действия станции от указанных факторов может быть выражена следующей мате­ матической формулой, называемой часто уравнением даль­ ности радиолокационной станции:

( 6)

Л ,р .м и н (4 * )3 ’

где Ризл— мощность сигнала, излучаемого радиолокацион­ ной станцией (для импульсной радиолокационной станции под Ртл понимается импульсная мощ-' ность);

Рцр мин— мощность минимального отраженного сигнала, который еще может быть принят и обнаружен станцией;

о— эффективная отражающая площадь цели* (/-—коэффициент усиления антенны; А— рабочая волна станции.

Мощность излучаемого сигнала. Как видно из формулы (6),

максимальная дальность действия радиолокационной станции пропорциональна корню четвертой степени из мощности из­ лучаемого сигнала. Следовательно, для сколько-нибудь за­ метного увеличения дальности надо существенно увеличивать мощность передатчика. Так, например, увеличение мощности в 2 раза повысит дальность действия станции меньше чем на 20%, а для повышения дальности в два раза надо поднять мощность передатчика в 16 раз!

251

Рассмотрим причину столь незначительного повышения дальности действия станции при увеличении мощности ее пе­ редатчика. Воспользуемся для этой цели рис. 136. Как сле­ дует из рисунка, электромагнитная энергия излучается стан­ цией в виде узкого луча, поперечное сечение которого с воз­ растанием дальности увеличивается. Сравнивая два сечения луча, находящихся на расстояниях Д и 2 Д от станции, легко заметить, что при увеличении дальности в два раза площадь поперечного сечения увеличивается в четыре раза (пло­ щадь S2 в четыре раза больше площади Si). Значит, плотность

Рис, 136, Уменьшение плотности потока мощности обратно пропорцио­ нально квадрату расстояния

потока электромагнитной энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом, на цель, находящуюся

жается от нее и, пройдя тот же путь, что и прямая волна, до­ стигнет антенны радиолокационной станции. При этом плот­ ность потока электромагнитной энергии также обратно про­ порциональна квадрату расстояния. В итоге, т. е. с учетом двойного пути, плотность потока энергии, или мощность при­ нимаемого сигнала, оказывается обратно пропорциональной четвертой степени дальности. Поэтому для компенсации уменьшения мощности принимаемых сигналов, вызванной увеличением дальности до цели, мощность передатчика дол­ жна быть повышена в четвертой степени.

Повышение мощности передатчика влечет за собой уве­ личение мощности источников питания, их веса и габаритов; возрастает обычно и анодное напряжение генераторных и вы­ прямительных ламп передатчика, что требует улучшения изо­ ляции, а следовательно, увеличения размеров и веса радио­

252

технической аппаратуры. Поэтому при необходимости увели­ чения дальности действия радиолокационной станции не всегда идут по пути повышения мощности ее передатчика. Нередко для этой цели повышают чувствительность прием­ ника или сужают диаграмму направленности станции.

Чувствительность приемника. Из формулы (6) следует, что компенсация уменьшения мощности принимаемого сигнала и увеличение в связи с этим дальности действия станции могут быть достигнуты повышением чувствительности приемника. Действительно, дальность действия станции определяется в конечном счете величиной сигнала, который приемник еще может принять, усилить и передать на индикаторные устрой­ ства. Поэтому, если повысить чувствительность’ приемника, он сможет принимать более слабые отраженные сигналы, при­ ходящие от удаленных целей. Поскольку этот метод позво­ ляет увеличить дальность действия станции, почти не прибегая к увеличению мощности источников питания, габаритов и веса станции, то он во многих случаях оказывается более жела­ тельным, чем повышение мощности передатчика.

Следует отметить, что в этом отношении радиолокацион­ ная техника добилась больших успехов. Современные радио­ локационные приемники в состоянии принять и зарегистри­ ровать сигналы мощностью 10~13 вт и меньше. Чтобы пред­ ставить себе величину этой мощности, укажем, что она срав­ нима с мощностью луча света, который создается лампочкой карманного фонаря на расстоянии в несколько сотен кило­ метров.

Однако такая высокая чувствительность не является пре­ дельной. Современные методы приема радиосигналов позво­ ляют еще больше повысить чувствительность радиоприем­ ников.

Коэффициент усиления антенны. Коэффициент усиления антенны G характеризует концентрацию излучаемой энергии за счет применения направленной антенны. При использова­ нии ненаправленной антенны излучаемая станцией мощность распределялась бы в пространстве равномерно и на цель по­ падало бы мало электромагнитной энергии. Применение на­ правленной антенны позволяет сосредоточить излучение энер­ гии в определенных пределах и увеличить плотность потока мощности, попадающей на цель, находящуюся в луче станции. Таким образом, с точки зрения повышения дальности дей­ ствия станции применение направленной антенны с коэффи­ циентом усиления G равнозначно повышению мощности пере­ датчика в G раз в случае применения ненаправленной ан­ тенны. Эта зависимость и нашла свое отражение в рассма­ триваемой нами формуле, где под корнем написано произве­ дение Ризл G.

Итак, применение антенн, излучающих энергию лучом,

253

ширина которого в одной или двух геометрических плоско­ стях достаточно мала, позволяет не только увеличить разре­ шающую способность станции по угловым координатам, но и повысить дальность действия станции. Однако, поскольку сужение луча станции, работающей на некоторой определен­ ной волне, требует увеличения размеров антенн и может уменьшить, как мы убедимся в дальнейшем, скорость обзора заданного сектора, применение очень узких диаграмм направ­ ленности ограничено.

Применение направленных антенн позволяет увеличить дальность действия станции не только за счет большей кон­ центрации излучаемой энергии в нужном направлении, но и за счет улучшения условий приема антенной сигналов, при­ ходящих с определенных направлений.

Способность приемной антенны принимать сигналы, прихо­ дящие с различных направлений, непосредственно зависит от коэффициента усиления антенны: чем больше этот коэффи­ циент, тем эффективнее происходит прием сигналов (заметим попутно, что коэффициент усиления антенны при использова­ нии ее на передачу и прием одинаков). Поэтому коэффициент усиления антенны влияет на дальность действия станции дважды — при излучении и приеме сигналов. Этим и объяс­ няется то, что величина G входит под корень в уравнении дальности в квадрате.

Длина волны. Зависимость дальности действия станции от длины волны довольно сложная. Укажем, например, что от выбора длины волны зависит и возможная максимальная мощность генераторных ламп, и предельная чувствительность приемника, и коэффициент усиления антенны, и эффективная

эффективной приемной площадью антенны. Действительно, чем больше волна, тем больше должны быть габариты ан­ тенны при неизменном ее коэффициенте усиления. Увеличение же габаритов антенны приводит к тому, что антенна «улавли­ вает» больше отраженной мощности, в связи с чем возрастает дальность действия станции.

Эффективная отражающая площадь цели. За критерий отра­ жающей способности цели принимают обычно «эффективную отражающую площадь цели» ’, обозначаемую буквой о. При этом при расчетах реальный объект (самолет, корабль и дру­ гие радиолокационные цели) заменяют некоторым условным1

1 Иногда вместо этого термина употребляют термин «эквивалентная площадь отражения»,

254

идеально отражающим шаром определенных размеров, кото­ рый отражает в сторону радиолокационной станции сигнал такой же мощности, как и реальный объект.

Такая воображаемая замена реальной цели отражающим шаром удобна тем, что величина эффективной отражающей площади равняется при этом площади большого сечения шара и может быть выражена непосредственно в квадратных метрах.

Так, например, летящий на станцию истребитель при рас­ чете дальности действия радиолокационной станции санти­ метрового диапазона волн можно заменить отражающим ша­ ром, находящимся на том же расстоянии, что и истребитель, и имеющим площадь большого сечения 5—10 м2 (в зависимо­ сти от типа истребителя), а бомбардировщик—-шаром с пло­ щадью сечения 25—50 м2.

Величина эффективной отражающей площади цели зави­ сит от длины волны станции, а для очень больших целей — и от других параметров станции. Поэтому эффективная пло­ щадь одной и той же цели, а следовательно, и ее отражающие свойства для станций разных диапазонов волн могут быть различными. Следует также иметь в виду, что приведенные нами значения эффективной отражающей площади — усред­ ненные и не показывают колебаний ее величины при измене­ нии ориентации (ракурса) цели относительно станции. В дей­ ствительности величина эффективной отражающей площади может сильно изменяться, поскольку реальные объекты, как одиночные (самолеты, корабли) и групповые (объединения самолетов, кораблей, одновременно наблюдаемые станцией), так и распределенные (земная или водная поверхность, об­ лака), имеют сложную конфигурацию, причем их отдельные элементы обладают различной отражающей способностью. Отражение от таких объектов представляет собой сложный комплекс отдельных отражений от различных точек, интен­ сивность которых при изменении ориентации объекта относи­ тельно станции может очень сильно меняться в зависимости от того, будут ли отдельные отражения складываться или вычитаться. На рис. 137 показана диаграмма изменения эф­ фективной отражающей площади самолета, или диаграмма рассеяния волн самолетом, полученная экспериментально. Из диаграммы видно, что значение эффективной площади само­ лета может очень сильно (в десятки и сотни раз) измениться даже при очень небольшом изменении положения самолета относительно станции. Меняется эффективная площадь само­ лета и при значительных поворотах самолета и изменении углов, под которыми он наблюдается. Так, для изображенного на рисунке самолета эффективная площадь значительно меньше при наблюдении его сбоку, чем с хвоста или носа. Поэтому при расчете дальности действия станции применяют

255

некоторое усредненное значение эффективной площади цели, что позволяет сделать расчеты для некоторых характерных положений объекта относительно станции (полет на станцию, от станции или под определенным углом к ней).

Таким образом, максимальную дальность действия стан­ ции на практике нельзя рассматривать как некоторую фикси­ рованную дальность, на которой резко обрывается обнаруже­ ние целей. Ее величина колеблется даже при небольшом из-

Рис. 137. Диаграмма рассеяния волн самолетом

менении положения цели и связанном с этим изменении ве­ личины эффективной отражающей площади цели. Поэтому при обнаружении и сопровождении целей, находящихся на рас­ стоянии, близком к максимальной дальности действия стан­ ции, сигнал от цели иногда пропадает и затем вновь появ­ ляется даже при "практически неизменном направлении ее движения. Иногда же сигнал от цели появляется в тот мо­ мент, когда ее дальность значительно превышает определен­ ную по формуле (6) дальность действия радиолокационной станции. В связи с этим при практической работе на станции или при ее испытании за максимальную дальность действия станции принимают некоторое усредненное значение.

256

ЧАСТОТА ПОВТОРЕНИЯ II МАКСИМАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Ознакомившись с зависимостью между максимальной дальностью действия радиолокационной станции и ее энер­ гетическими характеристиками, кратко остановимся на влия­ нии дальности действия станции на выбор частоты излучения станцией зондирующих импульсов (частоты повторения).

Эту зависимость в общем виде можно сформулировать так: чем больше максимальная дальность действия станции, тем реже должны излучаться зондирующие импульсы, потому что каждый следующий импульс должен посылаться лишь

Рис. 138. При слишком высокой частоте повторения следую­ щий зондирующий импульс излучается раньше, чем станция примет сигнал, возникающий при отражении предыдущего зондирующего импульса от удаленных целей

после того, как приемное устройство примет сигнал, отражен­ ный от цели, находящейся на расстоянии максимальной даль­ ности действия _станции. Это необходимо для того, чтобы исключить многозначность в определении дальности целей, воспроизводимых на экранах индикаторов станции.

Пусть рассматриваемая станция по своим энергетическим параметрам способна принимать и фиксировать сигналы, от­ раженные от целей, находящихся на дальностях до 300 км. Такие сигналы будут достигать станции и воспроизводиться на экранах индикаторов через 1/500 сек, или 2000 мксек, после излучения зондирующего импульса, что легко проверить по

ct

формуле Д = — -Если в такой станции выбрать частоту по­

вторения, скажем, 800 гц, при которой зондирующие импульсы излучаются через каждые 1250 мксек, то сигнал от цели, уда­ ленной на 300 км, не успеет дойти до станции, как будет по­ слан следующий зондирующий импульс (рис. 138).

Как известно, излучению каждого зондирующего импульса соответствует создание на экранах индикаторов новой линии

нят станцией в течение следующего цикла работы и появится на линии развертки в точке, соответствующей запаздыванию от­ раженного сигнала на 750 мксек относительно момента излу­

всех радиолокационных станциях частоту повторения выби­ рают в соответствии с предельной дальностью обнаружения. Так, станции орудийной наводки, дальность действия кото­ рых составляет всего несколько десятков километров, рабо­

Ч - 300 имп/сек и менее.

Так, например, американские станции орудийной наводки среднекалиберной зенитной артиллерии SCR-584 и SCR-784 имеют частоту повторения 1707 имп/сек-, в канадской станции целеуказания, используемой в радиолокационной системе управления огнем СЗА, частота повторения выбрана равной 800 имп/сек; в одной из первых английских станций дальнего обнаружения СН частота повторения составляла 25 имп/сек, а в современной американской радиолокационной станции об­ наружения самолетов AN/FPS-8 частота повторения рав­ няется 360 имп/сек. .

ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Говоря о максимальной дальности действия радиолока­ ционной станции, мы условились считать, что между стан­ цией и отражающим объектом существует прямая видимость. Поэтому выведенное нами уравнение дальности справедливо только в тех случаях, когда цель находится в пределах гори­ зонта и не скрыта от наблюдения кривизной земной поверх­ ности.

Чтобы не ошибиться при определении реальной дальности действия станции, антенна которой находится на той или

258