13

Лекция № 15 Принципы построения радиоэлектронных систем локации и навигации

Радиотехнические системы обнаружения и измерения

Радиотехнические системы обнаружения и измерения выделяют полезную информацию из принятых сигналов. Это имеет место в системах радиолокации, радионавигации и радиотелеметрии. К радиотехническим системам обнаружения и измерения относятся также так называемые пассивные радиосистемы, когда радиопередатчик в системе отсутствует, а информация извлекается радиоприемным устройством из сигналов, поступающих от каких-либо естественных источников электромагнитных колебаний. Приемники сигналов радиотепловых источников (инфракрасных, или ИК-источников), называемые радиометрами, используются, в частности, в пассивной локации.

Радиолокационные системы

Радиолокация (от лат. locatio — расположение, размещение и означает определение местоположения объекта по сигналам, излучаемым самим объектом — пассивная локация — или отраженным от него сигналом, излучаемым самой радиолокационной станцией — РЛС — активная локация) — область науки и техники, предметом которой является наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, определение пространственных координат и направление движения, измерение дальности и скорости движения, разрешение, распознавание и др. Обнаружением называют процесс принятия решения о наличии в радиолокационном луче целей с допустимой вероятностью ошибочного решения. При определении местоположения целей оценивают их координаты и параметры движения, в том числе скорость. Итак, определение местоположения целей разделяется на две задачи:

• определение дальности (дальнометрия);

• определение условных координат (радиопеленгация).

Под разрешением понимают возможность раздельно обнаруживать и измерять координаты одной цели при наличии других, близкорасположенных. Распознавание — получение радиолокационных характеристик различных объектов, выбор информативных устойчивых признаков и принятие решения о принадлежности этих признаков к тому или иному классу. Технические средства получения информации о радиолокационных целях и называются радиолокационными станциями или системами. Носителями радиолокационной информации служат приходящие от целей радиолокационные сигналы. Они образуются в результате вторичного излучения, т. е. либо переизлучения первичного излучения специальной аппаратурой или поверхностью цели, либо собственного электромагнитного излучения целей. Соответственно различают методы активной радиолокации, радиолокации с активным ответом и пассивной радиолокации. В первых двух случаях РЛС излучает в направлении на цель зондирующий сигнал, в последнем — облучения целей не требуется. В англоязычной литературе пассивные РЛС называют primary radar — первичными радиолокаторами. Основной целью радиолокации является установление связи между параметрами передающей (приемной) системы и характеристиками отраженного и рассеянного радиолокационной целью излучения с учетом их взаимного расположения в пространстве. Для решения такой задачи при проектировании РЛС используется фундаментальное соотношение, которое носит название основного уравнения радиолокации и служит для оценки предельной дальности Rmax (в локации принято дальность обозначать не D, a R) обнаружения локатором радиолокационной цели (предполагается, что приемник и передатчик совмещены в пространстве и «работают» на одну антенну):

г де Рс — мощность радиопередатчика; Pmin — минимальная принимаемая мощность; Go — коэффициент направленного действия (КНД) антенны в направлении максимума излучения; F — нормированная функция направленности по напряженности поля антенны; а — ЭПР (эффективная площадь рассеяния) цели.

Р ис. 1. Импульсная РЛС:

а — структурная схема; б — упрощенные временные диаграммы

Г енератор импульсов вырабатывает достаточно короткие (доли или единицы микросекунд) импульсы (1 на рис. 1, б), которые определяют частоту посылок радиосигналов РЛС. Эти импульсы поступают на передатчик и измеритель. В передатчике с помощью модулятора из несущего колебания формируют высокочастотные импульсы 2 (осуществляется импульсная модуляция), называемые радиоимпульсами, которые излучают в окружающее пространство. Антенный переключатель подключает антенну к передатчику во время излучения радиоимпульсов и к приемнику — в интервалах между ними. Отраженные от объекта и уловленные антенной РЛС радиоимпульсы 3 попадают в приемник. Отраженные радиоимпульсы располагаются в интервалах между излученными импульсами (соответственно О и И на рис. 1, б), небольшая часть мощности которых через антенный переключатель также проникает в приемник. После усиления и детектирования в приемнике отраженные импульсы 4 поступают в измеритель. Сравнение в измерителе отраженного импульса с его излученной копией, поступающей с генератора импульсов, позволяет получить информацию об объекте. В частности, дальность до обнаруженного объекта определяется по времени задержки излученного сигнала t₃ в соответствии с известной формулой

Работают РЛС обычно в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, так как в этом случае удается создать узкие (игольчатые) диаграммы направленности при приемлемых габаритных размерах антенн. В настоящее время принцип действия множества радиолокаторов основан на эффекте Доплера (1842 г. К. Доплером установлена зависимость частоты звуковых и световых колебаний от взаимного движения источника и наблюдателя; К. Doppler; 1803-1853).

П ассивные РЛС. Известно, что в реальных земных условиях все тела излучают собственное тепловое или радиоизлучение, интенсивность которого больше в ИК-диапазоне и видимом оптическом диапазоне и существенно меньше в радиодиапазоне волн. Тем не менее установлено, что в радиодиапазоне на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах оно оказывается весьма заметным и может нести важную полезную информацию. Прием такого излучения может выполняться скрытно от обнаруживаемого объекта. На рис. 2 показана простейшая функциональная схема системы пассивной лока

Рис. 2. Функциональная схема пассивной локации объектов

ции объектов на фоне неба или подстилающей земной поверхности. На вход высокочувствительного радиометра 1 по тракту 2 поступает принятое антенной 3 собственное ИК-излучение объекта 4. В радиометре полученная информация об объекте регистрируется и обрабатывается.

Нелинейные РЛС. Существенное увеличение числа радиолокационных задач стимулирует поиск нетрадиционных методов построения локаторов. Один из таких методов основан на использовании нелинейного рассеяния электромагнитных волн. Под нелинейным рассеянием электромагнитных волн в радиолокации понимают явление обогащения спектра сигнала, переотраженного обнаруживаемой целью, по сравнении со спектром сигнала облучающего электромагнитного поля. Такой эффект возникает за счет нелинейных свойств отдельных отражающих элементов цели. Специалистами в области радиотехники давно замечено, что некачественно выполненные электрические соединения и разъемы радиотехнических устройств, расположенные вблизи мощного передатчика РЛС, при их облучении электромагнитным полем могут создавать сигналы на частотах, отличных от частоты излучения. Эти свойства нелинейности электрических соединений были всесторонне изучены и применены на практике. Лабораторные испытания показали, что значительная часть плотных механических соединений металла с металлом и тщательно выполненные пайки практически обладают свойствами пассивных сопротивлений. Поэтому при протекании через них переменного тока не возникают ни гармоники, ни комбинационные частоты. Однако если между металлами нет плотного молекулярного контакта и имеющийся воздушный зазор составляет очень небольшую часть длины волны облучающих их колебаний, то образуется значительная нелинейная проводимость, на концах которой возникает разность потенциалов вплоть до 1 В. При этом прямая ветвь вольт-амперной характеристики стального перехода подобна аналогичной характеристике обычного полупроводникового диода. Для контакта металл-металл с протекающим в нем переменным током характерно преобладание генерации нечетных гармоник излучения передатчика локатора, причем наиболее ярко выражена третья гармоника, в отличие от полупроводников, где преобладает генерация второй гармоники. Зазор, необходимый для получения нелинейной проводимости между металлами, должен быть около 100 А, поэтому в большинстве сложных металлических объектов имеется очень много «генераторов гармоник», каждый из которых образован металлическими частями, поворачивающимися, скользящими или неподвижными относительно друг друга. Это могут быть шарнирные крепления дверей, листовые рессоры, стеклоочистители, инструментальные ящики, разводные гаечные ключи, монеты и т. д. На сегодняшний день известны два варианта построения нелинейных РЛС с использованием передатчика, работающего:

• на одной частоте, и приемника гармоник этой частоты;

• на двух частотах (f₁ и f₂), и приемника, настроенного на сильный сигнал одной из комбинационных (разностной или суммарной между f₁ и f₂) частот.

В последнем случае нелинейный контакт двух материалов выполняет роль находящегося на расстоянии нелинейного смесителя частот, вырабатывающего ряд комбинационных частот. Первый вариант проще в реализации. При отработке систем связи такие РЛС используют для локализации источников интермодуляционных искажений — ИМИ; intermodulation distortions —IMD («эффект ржавого болта»). Присущая нелинейному радиолокатору защищенность от по мех естественного происхождения определяет возможность его применения в сугубо военных целях для выделения объектов искусственного происхождени (например танков, бронетранспортеров) на фоне земных покровов. Уникальные свойства такой РЛС наделяют ее потенциально важной ролью во многих применениях, где не требуется большая дальность (например, в обнаружителях подслушивающих устройств).

Кратко коснемся акустоэлектронных и оптических систем извлечения информации. Развитие акустоэлектронных систем извлечения информации, работающих по принципу РЛС, потребовало разработки мощных импульсных ультразвуковых генераторов и соответствующих систем обработки отраженных от объектов акустических сигналов сложной формы. По аналогии с РЛС (радарами) такие системы назвали сонарами (от англ. SONAR — SOund Navigation And Ranging — гидролокатор, эхолот). Установлено, что современные сонары позволяют «видеть» и исследовать внутренние органы человека, заглянуть в глубь Земли на расстояние до 5 км, находить в морской воде рыбные косяки и подводные лодки на глубине до 10 км.

С появлением мощных импульсных оптических излучателей направленного действия (лазеров) начали интенсивно развиваться оптические системы извлечения информации. По аналогии с радарами такие системы стали называть лидарами (лазерные локаторы ИК-диапазона). Современные лидары позволяют определять расстояние от Земли до Луны с точностью до нескольких метров, наблюдать искривление земной поверхности при приливах, определять координаты спутников и летающих объектов, состав атмосферы и наличие в ней загрязняющих примесей.