flesh / Книга / 17_g

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

ГЛАВА 17. РАДИОСИСТЕМЫ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ, ИЗВЛЕЧЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

17.1. Системы радиолокации

Системы радиолокации являются одной из разновидностей систем извлечения информации. Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств для определения места нахождения и параметров движения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокация решает задачи обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения. Для решения этих задач, как правило, используют радиоволны, отраженныеот объектов-радиолокационныхцелей, либожесигналы, излучаемые самой целью, включая установленные на ней радиосредства.

Первымупоминаниемовозможности использованиярадиоволн в целях обнаруженияобъектов и измерениянаправленияна нихможносчитать отчет А.С. Попова об опытах радиосвязи в 1897 г. на Балтийском море. В результате проведенных экспериментов была показана возможностьобнаружениякорабля«ЛейтенантИльин»при прохождении им между кораблями «Европа» и «Африка», осуществляющих сеанс радиосвязи. В отчете делается предложение использоватьрадиосвязь дляориентированияпри плохой видимости и скрытного обнаружения. Также в отчете обсуждается явление вторичного излучения радиоволн препятствиями. В дальнейшем существенным стимулом к развитию радиолокации явилась авиация, в частности задача обнаружения самолетов. В тридцатых годах про-

208

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

шлого века началось активное развитие радиолокации сначала с использованием непрерывного излучения (Шембель Б. К., 1935 г., сигнал с частотной модуляцией), а затем и импульсного(Кобзарев Ю.Б., 1937 г.). К началу войны у нас в стране имелось несколько десятков выпущенных и принятых на вооружение радиолокаторов.

Врадиолокации, как правило, измеряют расстояние до цели, угловые координаты цели (азимут, угол места) и радиальную (относительнорадиолокатора) составляющую скорости цели. Координаты радиолокационной цели могут быть как в сферической, так и в цилиндрической системах отсчета (рис. 17.1).

Всферических координатах по-

Радиолокационныесистемыиспользуютвкачественосителяинформации радиолокационный сигнали электромагнитнуюволну, излученную целью. В зависимости от природы образования радиолокационного сигнала различают активный, активный с активным ответом и пассивный методы радиолокации.

Структурные схемы вариантов построения РЛС приведены на рис. 17.2, где схемы а, б, и в иллюстрируют принцип работы активной системы радиолокации. В своем составе они имеют передающее устройство (Пер), сигналы которого используются для обнаружения цели (Ц). Однако возможно несколько вариантов построения РЛС. Это может быть система с разделенными антеннами у передатчика и

209

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

приемника. Такаясистема позволяет использоватьнепрерывныесигналы и разносить в пространстве передатчик и приемник. Так как уровень отраженного сигнала мал, очень важно обеспечить развязку передающей и приемной антенн для обеспечения возможности выделения с помощью приемника (Прм) сигнала малого уровня. Сам факт наличия сигнала позволяет осуществить обнаружение цели, его анализ и сравнение с излученным сигналом, осуществляемое в устройствеобработки информации (УОИ), получить сведения окоординатах цели и параметрах ее движения.

д

Рис. 17.2. Структурные схемы вариантов построения РЛС:

а– активная РЛС; б – активная РЛС с общей антенной; в – активная разнесенная

впространстве РЛС; г – пассивная РЛС; д – активная РЛС с активным ответом

210

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

При использовании импульсных радиолокационных сигналов, как правило, применяются РЛС с одной антенной. Излучение сигнала Прд и прием Прм разнесены во времени. Особо следует выделить многопозиционныеРЛС, представляющиесобой разнесенную в пространстве радиотехническую систему. Из одних точек пространства осуществляется облучениецели, из других – прием отраженных сигналов (в общем случае ряд РЛС, входящих в систему, могут осуществлять какизлучение, так и приемсигналов). Полученная информация от составляющих систему РЛС концентрируется в пункте обработки информации (ПОИ) и обрабатывается совместно с синхронизирующими работу системы сигналами, что позволяет получить высокоточную информацию оцели. Несмотря на усложнение системы в целом многопозиционные РЛС развиваются, так как позволяют решать задачи, поставленные перед системой более высокого уровня надежности, с том числе за счет гибкости системы.

Системы пассивной радиолокации (рис. 17.2, г) имеют только приемное устройство. Однако класс сигналов, используемых для получения информации о пространственном положении целей, достаточноширок. Этоможетбыть прием сигналов, излучаемых работающими радиосредствами, расположенными на цели, тепловое излучение элементов цели (например, двигателя) и излучение цели в оптическом диапазоне. Используемые методы селекции точечных сигналов и знание их спектральных характеристик позволяет выделить цель на ярком фоне (например, излучение работающего двигателя на фоне Солнца).

Активные РЛС с активным ответом (рис. 17.2, д) в качестве сигналаотцелииспользуютнеотраженныйсигнал,асигнал,излученный приемопередающим устройством, размещенным на цели в ответ на запросный сигнал РЛС. Сигналответчика можетявляться кодовой посылкой,содержащейдостаточномногоинформацииоцели(например, бортовой номер самолета). Даже при мощности передатчика ответчика в нескольковатт сигнал от цели, принимаемый запросчиком, имеет достаточныйуровень,намногопревышающийэнергиюсигналоввслучае простого переотражения зондирующего сигнала целью.

211

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Радиолокационные системы принято подразделять на три основные группы:

1)обзорные – поиск и обнаружение целей, а также измерение их координат с невысокой точностью. Они работают в режиме периодического обзора заданной зоны пространства и обеспечивают получение информации о всех целях, там находящихся;

2)следящие – предназначены для точного и непрерывного измерения координат целей. Для этого осуществляется слежение за одной или несколькими целями;

3)специализированные– выполняют конкретные измерения, как правило, измеряют один параметр цели. Виды измерений различны – например, самолетные высотомеры, доплеровские измерители вектора скорости самолета и т.д.

Безусловно, задачи, решаемые РЛС разных групп, могут объединяться в многофункциональных РЛС.

Так как технические решения и в области схемотехники, и в конструкции сильно зависят от способа формирования и обработки сигналов и места установки РЛС, различают наземные (стационарные и передвижные) и бортовые: самолетные, корабельные и т.п. Сигналы могут быть импульсные и непрерывные, когерентные

инекогерентные.

Для проектирования РЛС задаются ее тактические характеристики: зона действия (рабочая область пространства); измеряемые координаты и точность их измерения; разрешающая способность по измеряемымкоординатам;помехозащищенность;пропускнаяспособность(предельное количество целей); мобильность; надежность. В результате проектирования определяются технические характеристики РЛС, обеспечивающие достижение требуемых тактических характеристик. К основнымтехническимхарактеристикамотносятся:характеристикиобзора рабочей области пространства; вид зондирующих импульсов и способобработкисигналов;способыизмерениякоординатцелей;выбранная длинаволн;мощностьпередатчика,чувствительностьприемника;параметры диаграммы направленности (ДН) антенн; масса, габариты РЛС, еекомпоновка поблокам, потребляемая энергия и т.п.

212

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

Сигналы в радиолокации описаны в гл. 15. Сейчас же затронем тестороны радиолокационных сигналов, которыенеобходимы для пониманияосновныхпринциповрадиолокации.Информационнаясоставляющая в радиолокационном сигнале появляется как результат взаимодействия зондирующего сигнала с целью. Само наличие отраженногосигналапозволяетсделатьзаключениеоналичиицели.Крометого, цель как бы «модулирует»взаимодействующий с ней сигнал. Очевидно,отвидаисходногосигналазависитихарактерегоизменения.Однако для любого сигнала, отраженного целью, направление его прихода – фронта отраженной волны, позволяет получить информацию об угловом положении цели, а время, затраченное сигналом на достижение цели и возращение обратно, определяет дальность цели. Наличие изменения расстояния доцели – радиальной скорости, проявится в доплеровском смещении частоты отраженного сигнала.

Таким образом, измерение времени, затраченного сигналом на достижение цели и возращение обратно определяется выражением:

Тд = 2D/С. (17.1)

Так как радиальная скорость цели Vr много меньше скорости распространения радиоволн (скорости света), то можно записать, учитывая, что V r<< С:

Кроме того, принимаем отраженный сигнал с флуктуирующими относительно своих средних значений параметрами. Если измерениесреднего значения параметров отраженного сигнала позволяет определить координаты цели, то наличие флуктуаций, как правило, медленных по сравнению с длительностью сигнала, снижает эффективностьРЛС. Однакоизмерениеспектральныххарактеристикфлуктуаций позволяет решать задачи идентификации целей.

Для получения радиолокационной информации осуществляется сравнение посланного сигнала с принятым. Посланный (зондирующий) сигнал должен обладать достаточной энергией для обнаружения отраженного от цели сигнала в шумах, обеспечить возможность измерения координат целей и их разрешение и быть практически реализуемым.

213

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Разрешение по угловым координатам зависит от ширины диаграммынаправленности антенн, а разрешениеподальности и скорости – от выбора зондирующего сигнала. Разрешениепо дальности определяетсявозможностьюзафиксироватьминимальный сдвигсигналов, отраженных от разных целей. Аналогично следует понимать разрешение по радиальной скорости – минимально фиксируемый сдвиг по частоте.

Как правило, в рабочей зоне РЛС находится ряд целей или же цели и объекты, создающиепассивную помеху. Наличие разрешения позволяетвыделять полезныесигналы на фонепомех, получать качественное изображение земной поверхности. Чем выше разрешение, тем выше точность измерения соответствующих координат. Как уже говорилось, теоретические положения были рассмотрены ранее и сейчас воспользуемся, без доказательства, соотношением: разрешающая способность по времени обратно пропорциональна ширине спектра сигнала: tpc= (2 fs)–1, отсюда следует – чем ширеспектр сигнала, темвышеразрешающая способность. Следовательно, гармонические сигналы, обладающие узким спектром, не имеют разрешения повремени. Для наличияразрешениянеобходимо, чтобы на интервале tpc сигнал существенно менялся как, например, импульсный сигнал за время его длительности.

Аналогичноразрешающаяспособностьпочастотеобратнопропорциональна длительности сигнала: tpc = 1/Ts. Это следует из того, что частота колебания определяется за время не менее одного периода колебаний, а длявыявления различиячастотдвух колебаний необходимо наблюдение за период разностной частоты. Из выражений

(17.1) и (17.2) следует:

Dрс = С tpc/2 = C/(4 fs), Vp c = (C/2fs) . fpc = C/(2fs .Ts). (17.3)

Так как требования к зондирующим сигналам противоречивы, то, следовательно, нет универсальных сигналов. В результате приходится «приспосабливать» сигналы для решения конкретных задач.

Непрерывные сигналы позволяют достаточно просто решать задачу получения разрешения по скорости. Модулированные непрерывные сигналы позволяют решить вопрос получения разрешения

214

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

по дальности. Однако в РЛС с непрерывными сигналами возникают проблемы «развязки» приемника и передатчика. Эта задача чрезвычайносложна при использовании одной антенны, да и придвух«просачивание» мощного излучаемого сигнала создает помеху приему. В результате в настоящее время применение непрерывных сигналов ограничено.

Использованиеимпульсныхсигналовв РЛС,благодарятому,что излучение и прием сигналов разнесены во времени, позволяет применить одну антенну у передатчика и приемника. Импульсные сигналы позволяют получить разрешение по дальности простыми методами.

Как уже говорилось, для обеспечения требуемой дальности в РЛС необходима достаточная энергия зондирующего сигнала. Однако решение этого вопроса простым увеличением амплитуды сигнала не представляется возможным. Есть предельная энергия, которую можетпропуститьантенно-фидерный тракт,естьограниченияпоразмеру и весу аппаратуры, есть предельные возможности источников питания самолетных РЛС. Поэтому вопрос решается накоплением энергии последовательности (пачки) импульсов. Рассмотримобразование пачки импульсов на примере обзорной РЛС (рис. 17.3).

X

Ц

аз

Рис. 17.3. Образование пачки импульсов:

а– сканирование пространства лучом антенны РЛС;

б– пачка импульсов, отраженных от цели

215

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

При обзоре пространства ДН антенны РЛС некоторое время направлена на цель, которая при этом облучается зондирующими импульсами и в это время могут быть приняты отраженные от цели сигналы. В результате, с учетом скорости сканирования ск, ширины и формы ДН принятая последовательность (пачка) импульсов имеет огибающую, повторяющую форму ДН антенны. Импульсы, входящиев пачку, могут быть как простыми радиоимпульсами, так и сложными, имеющими дополнительнуювнутриимпульснуюмодуляцию. Кроме того, импульсы в пачке могут быть некогерентными и когерентными. Если импульсы в пачке некогерентные, то начальные фазы радиоимпульсов случайны и независимы. В этом случае возможности РЛС по разрешению дальности и скорости определяются отдельным импульсом из пачки. Получение достаточного разрешения по дальности удается получить, используя импульсы длительно-

стью Ти= (0,05 – 5) 10–6с. При этом Dрс = 7,5 – 75 м.

Используя когерентную пачку импульсов (фазовая структура импульсов внутри пачки взаимосвязана), можнополучить как разрешение по дальности, так и по скорости. Когерентную пачку следует рассматриватькак один сигнал большой длительности: Тs = n Tсл , где n – число импульсов в пачке; Tсл – период следования импульсов. Сигнал существует все время наблюдения и с этой точки зрения его можно рассматривать как непрерывный. Следовательно, он обеспечиваетразрешениепоскорости. Однаков рядеслучаев возникаетнеоднозначность при измерении либо дальности, либоскорости. Поэтомукогерентнуюпачкунельзясчитатьуниверсальнымсигналом. Дальнейшееразвитиетеории радиолокационныхсигналов пошлопопути применения сложных импульсов – они имеют внутриимпульсную модуляцию.

Образование отраженного от целей сигнала связано с возбуждением на поверхности объекта при облучении его радиоволнами токов проводимости или смещения, зависящих от формы объекта (цели), материала цели и ее геометрических размеров. В свою очередь, эти токи приводяткпоявлениювторичногоизлученияили рассеяниярадиоволн. Особенности вторичного излучения проиллюстрированы графиком,

216

Глава 17. Радиосистемы радиоуправления, извлечения и разрушения информации

представленным на рис. 17.4, гдеr – радиус металлической сферы; – длина волны; Ррас –мощностьвторичногоизлучения; Р0 –вторичноеиз- лучениепри r/ >> 1;1– зона рефракции или зона Рэлея;2–зона резонансного рассеяния (r 1, сфера является объемным резонатором); 3 – зона отражения(в нейРрас/Р0 const). Подобнаяприведенной на графике закономерность наблюдается для всех целей правильной формы. В радиолокации используют зону отражения, что при реальных размерах целей и определяет диапазон используемых радиоволн.

1 2 3

РрасР0

2,0

Р0

1,0

Рис. 17.4. Вторичное излучение как функция отношения Ррас Р0 от r/

Отражающие свойства целей в радиолокации характеризуют эффективной площадью рассеяния цели Sэфф:

где D – дальность до цели;

м.рлс – плотность потока мощности отражаемого сигнала у антенны РЛС;

м.ц –плотностьпотокамощностизондирующегосигнала уцели; Ерлс – напряженность электрического поля у антенны РЛС; Ец – напряженность электрического поля у цели.

Такимобразом, эффективнаяплощадьрассеяния(ЭПР)цели является фиктивная поверхность площадью Sэфф, являющаяся изотропным и не поглощающим энергию переизлучателем. Помещенная

217