Основы теории радиосистем и комплексов радиоэлектронной борьбы. Учебное пособие

41

то ЭПР одного элемента разрешения SД 0,172 2 K V . Среднее

пачек диполей, Rn – расстояние между соседними пачками диполей (оно определяется произведением скорости постановщика по-

сывания пачек диполей электромеханического, пневматического или пиротехнического типов. Устройства, называемые диспенсерами, могут нарезать диполи на основе данных радиолокационной разведки.

К пассивным помехам относятся также буксируемые на тросе ловушки. В качестве их применяются линзы Люнеберга или уголковые отражатели. Последние бывают круглыми или с прямоугольными и угловыми гранями. Наибольшей ЭПР обладают уголковые отражатели с прямоугольными гранями, для которых

ЭПР 4 a4 .

2

Линза Люнеберга, конструкция которой предложена американским учёным Люнебергом в 1944 г., представляет собой диэлектрический шар с переменным коэффициентом преломления и внутренней кольцевой металлизацией, от которой отражается сфокусированная волна. Такие линзы применяются в радиолокационных устройствах сантиметрового диапазона волн. Они могут иметь как сферическую, так и цилиндрическую форму. Коэффициент преломления материала линзы не остаётся постоянным по всей линзе, а зависит от расстояния до её центра (для сферической линзы) или оси (для цилиндрической линзы). Эта зависимость подбирается так, что после прохождения через линзу фронт волны приобретает плоскую форму. Простым перемещением облучателя по поверхности линзы можно изменять направление максимального излучения в телесном угле до 2π при неизменной форме диаграммы направленности. Для увеличения ЭПР используют несколько

42

линз или уголковых отражателей. Для дальнейшего увеличения ЭПР применяют активные ловушки (ретрансляторы). ЭПР существенно зависит от размеров лоцируемого объекта. Для типичных

наземных и надземных радиолокационных целей S 0 =1…100 м2, а для крупных надводных объектов величина эффективной поверхности может превышать тысячи квадратных метров. Отметим, что современная тенденция создания боевой техники состоит в использовании технологии «стелс» (от англ. stealth – подкрадываться), которая даёт возможность существенно (в десятки и более раз) снизить ЭПР даже достаточно крупных объектов. Так, например, американский самолёт-невидимка B-2 при размерах, соответствующих фронтовому бомбардировщику, имеет эффективную площадь рассеяния менее одного квадратного метра, а современный эскадренный миноносец при водоизмещении 2…3 тыс. тонн может при определённых ракурсах иметь величину ЭПР не более 100 м2.

Пассивные помехи характеризуются плотностью распределения вероятностей, корреляционной функцией, спектральной плотностью мощности. Соответствующие выражения для этих параметров приведены ниже.

Rc (k) c2 c (k) c2 exp fcT k ,

где u –N-мерный вектор входного процесса, представляющего собой аддитивную смесь сигнала (вектор s) и шума (по гипотезе H1) или сигнала, помехи и шума (по гипотезе H0), R и R-1 – соответственно прямая и обратная матрицы входного процесса (состав его

определяется нижними индексами), f0 , fП , fС - несущая час-

тота сигнала и ширина спектра флуктуаций помехи и сигнала соответственно. Отношение правдоподобия и имеет вид:

(x) WN (u)спш . WN (u)пш

Минимальная достаточная статистика соответствует выражению

ξ ln (u) uHR 1s 12 sHR 1s .

Учитывая, что второе слагаемое этой формулы не зависит от входной выборки и может быть отнесено к порогу обнаружения

ξ uHR 1s uHQs . Матрица обработки сигнала Q=R-1 определяет структуру обеляющего фильтра, устраняющего влияние пассивной помехи, последующая операция умножения на вектор s определяет структуру когерентного накопления сигнала (согласованной фильтрации). Для упрощения эти операции заменяют подавлением (режектированием) узкополосной пассивной помехи и многоканальным накоплением в доплеровском фильтре, параметры которого оптимизируются в подынтервалах возможного изменения ожидаемой фазы сигнала с за период повторения. В каждом из них статистика усредняется по с, что эквивалентно усреднению по скоростям цели. В результате алгоритм и структура устройства обработки видоизменяются. В качестве многоканального

45

Практически не всегда возможно и целесообразно применение представленного на рис. 4.2 вида подоптимальной обработки ввиду априорной неопределенности корреляционной матрицы Rсш, а при адаптации – ввиду вычислительной сложности операции обращения и высокой чувствительности полученных алгоритмов к изменяющимся условиям. На практике переходят к более простым и менее критичным к изменению параметров помех алгоритмам векторной обработки.

Энергетический критерий улучшения отношения сигнал- (помеха+шум) можно определить аналогично выражению (3.1) как:

действительная функционально преобразованная корреляционная матрица сигнала и её элементы;

действительная преобразованная корреляционная матрица помехи и её элементы; w= {wk} – модуль вектора обработки; φc – доплеровская фаза помехи; η, Δη – соответственно центральное значение фазы и полоса, в пределах которой проводится оптимизация фильтра, ψ – параметр линейной фазовой настройки фильтра [7].

4.3. Дальность действия РЛС при наличии пассивных помех

В традиционных методиках расчет параметров РЛС не учитывает влияния помех, рассмотрение которых переносится на последующие этапы синтеза системы обработки. В качестве исходного выражения для учета параметров коррелированных (пассивных) и некоррелированных (активных) помех используется уравнение дальности радиолокационного обнаружения в свободном пространстве (4.1).

46

На основании данного выражения для расчета отраженной мощности на входе приемника РЛС можно записать формулы для расчета мощности сигнала Pt и помехи Pc на входе приемника РЛС: PС=KSС, PП=KSП, где SС, SП – эффективные площади рассеяния цели и помехи, PП – мощность передатчика РЛС, G – коэффициент направленного действия антенны, – длина волны, R – дальность до объекта рассеяния. Коэффициент пропорциональности определяется как

K PП G2 2 .

(4 )3 R4

Для обнаружения сигнала необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

где PШ – мощность некоррелированного шума на входе приемника, qвх – пороговое отношение сигнал-(помеха+шум).

Величина qвх выражается через вероятностные характеристики РЛС:

Отношение сигнал-(помеха+шум) по мощности на выходе можно представить в виде:

где kС, kП – коэффициенты передачи сигнала и помехи (соответственно) по мощности.

Коэффициент улучшения можно выразить как

PС / P0 .

PП / PШ

Для оптимальной с учетом коэффициента улучшения системы, осуществляющей подавление коррелированных помех до уровня шумов и когерентное накопление сигнала, коэффициенты kс и kп могут быть представлены следующими предельными выражениями: kС=N; kП=PШ/PП, где N – число импульсов в пачке.

47

С учетом приведенных соотношений необходимая для обнаружения мощность передатчика и максимальная дальность обнаружения имеют вид [7]:

Пороговое отношение после обработки qвых определяет необходимое качество обработки когерентных флуктуирующих по амплитуде сигналов и зависит от коэффициента улучшения . Оно является одним из ключевых параметров системы и связано с вероятностными характеристиками обнаружения соотношением:

D F1 (1 Q) .

(4.3)

Соотношения (4.2), (4.3) позволяют отразить зависимость энергетических и вероятностных параметров радиоэлектронной системы. На рис. 4.3 приведено семейство типичных характери-

стик обнаружения для различных коэффициентов μ улучшения и

F=10−5.

48

Из рис. 4.3 видно, что вероятность D правильного обнаружения при низких (qС<−40 дБ) отношениях сигнал-(помеха+шум) на входе стремится к заданной вероятности F ложной тревоги, т.е. к величине 10−5. Действительно, при qС→0 можно принять, что цель фактически отсутствует, и потому вероятность D правильного обнаружения стремится к вероятности F ложной тревоги. Динамика роста D с увеличением qС существенно зависит от коэффициента улучшения, достигаемого системой обработки сигналов. Так, при =1 вероятность D=0,5 достигается при qС≈ 10 дБ, а при=100 достаточно обеспечить qС≈ - 10 дБ для той же вероятности правильного обнаружения.

Отметим, что основные особенности бортовых радиолокационных станций (БРЛС) связаны с движением носителя РЛС относительно земной (подстилающей) поверхности и других отражателей естественного и искусственного происхождения, создающих пассивные помехи. Наиболее мощные помехи создаются отражениями от земной (подстилающей) поверхности. Сигналы, отражённые от подстилающей поверхности, принимаются не только по главному лепестку диаграммы направленности антенны, но и по ее боковым лепесткам.

Геометрические размеры антенны БРЛС ограничиваются размерами фюзеляжа носителя (самолета или вертолета). Поэтому затруднительно достичь как высоких значений коэффициента направленного действия таких антенн, так и малого уровня их боковых лепестков. Наличие боковых лепестков при движении РЛС приводит к увеличению интенсивности и расширению спектра отраженного сигнала от подстилающей поверхности.

4.4. Методы уменьшения наблюдаемости радиолокационных целей

Как следует из выражения для дальности обнаружения и зависимости вероятности правильного обнаружения, для борьбы с радиолокационными средствами обнаружения следует стремиться к уменьшению отношения сигнал-(помеха+щум). Это возможно увеличением мощности пассивной помехи или снижением ЭПР цели. Первый фактор ограничен размерами элемента разрешения РЛС и применением систем подавления пассивных помех. Второй фактор связан с применением комплекса мер, снижающих отражательную способность цели. Среди них - применение малоотра-

49

жающих форм и специальных покрытий, поглощающих электромагнитную энергию зондирующих сигналов.

Малоотражающие формы создаются конфигурацией летательных аппаратов, которые исключают плоское отражение электромагнитных волн, за счёт специального выбора конфигурации отражающих элементов объектов радиолокации и применения различных экранов.

Создание на поверхности отражающего объекта: распределенных индуктивностей L и емкостей С, образующих колебательный контур. Параметры таких контуров выбираются таким образом, чтобы обеспечить их настройку на различные резонансные часто-

ты fpi.

Поглощающие покрытия решают задачу преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Коэффициент отражения

Котр Z Z0 ,

Z Z0

где Z-волновое сопротивление покрытия, определяемое как

Здесь μ0 , ε0 – соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость в свободном пространстве, а μ, ε – соответственно эти параметры для материала покрытия. Если ` `, то Kотр 0, т.е. для уменьшения отражений нужно делать объекты радиолокации из материалов, удовлетворяющих этому условию. Однако такие свойства материалов проявляются в довольно узком диапазоне частот. Поэтому многочастотные РЛС и РЛС с широкополосными сигналами имеют лучшие характеристики обнаружения малоотражающих объектов. Применяя не однослойные, а многослойные

50

покрытия, расширяют частотный диапазон малоотражающих форм. Многослойные покрытия обеспечивают уменьшение Котр в 10…100 раз. Условию «полного» поглощения энергии падающей волны удовлетворяют ферромагнетики и композитные вещества с чередованием поглощающего и изолирующего материалов из немагнитного диэлектрика [2].

Одним из методов радиоэлектронной борьбы, направленным против пассивных РЛС, является уменьшение собственного излучения объектов. Собственное радиоизлучение отражающих объектов в радиотепловом диапазоне зависит от их температуры – Т. Поэтому для уменьшения собственного радиоизлучения необходимо уменьшить Т поверхности отражения, что достигается применением покрытий из теплоизоляционного материала, использованием дымовых, аэрозольных, тепловых (ловушки) завес.

Применяется также ионизация газов атмосферы, которая происходит при движении цели с большой скоростью или при выхлопе реактивного двигателя.

Удельная концентрация электронов NЭ- определяет коэффициент преломления электромагнитных волн:

К 1 81Nэ .

Специально созданные области ионизации могут использоваться для маскирования реальных целей.

С помощью специальных отражающих объектов можно замаскировать реальные цели, изменить карту отражения от местности, т. е. создать дезинформирующие помехи.

5. Активные помехи

Активные помехи (АП) применяются для прикрытия целей. Используется передатчик, не зависящий от подавляемых радиосредств [1].

Постановка АП, способы их создания и характеристики зависят от типа подавляемой радиоэлектронной системы (система радиосвязи, радиолокации, радионавигации) и принципа подавления объекта. На рис. 5.1 представлена классификация активных помех.