8. Перспективы развития радиоэлектронной техники ртв

8.1 Перспективные направления развития радиолокации

В рамках перспективных направлений развития радиолокационных систем к основным направлениям развития радиолокации в настоящее время можно отнести следующие:

1. Повышение информативности зондирующих сигналов и извлечение максимума информации из эхо-сигналов.

Если в недавнем прошлом качество РЛС характеризовали, главным образом, величиной отношения максимальной мощности (энергии) излучения к минимальной обнаруживаемой мощности (энергии) эхо-сигнала, то сегодня требования усложнились. Наряду с высокоточными измерениями координат и траекторий целей современные РЛС должны извлекать из эхо-сигналов дополнительную информацию – радиолокационные портреты целей, связанные с их геометрическими и физическими характеристиками.

Для увеличения объема и качества содержащейся в эхо-сигналах информации будут применятся сигналы, обладающие высокой разрешающей способностью как по дальности, так и по радиальной скорости. Использование широкополосных сигналов позволит разрешать по дальности отдельные элементы цели, т.е. получать дальностный портрет цели. Сигналы большой длительности (например, пачечные) дадут возможность не только измерять радиальную скорость цели как единого целого, но и выявлять различия радиальных скоростей элементов цели, таких, как пропеллер или турбина, по скоростному портрету цели. Сочетание широкополосности и большой длительности сигнала позволит получать двумерный дальностно-скоростной портрет цели.

С помощью таких сигналов, используя небольшие изменения ракурса цели можно будет выявлять строение цели как вдоль линии визирования (по дальности) так и в поперечном направлении (метод обращенного синтеза апертуры).

Больше внимания будут уделять анализу поляризационных характеристик целей. Так, для выделения целей на фоне пассивных помех (местных предметов, поверхности Земли и др.) можно использовать существенные различия коэффициентов отражения точечных целей и мешающих отражателей при вертикальной и горизонтальной поляризации зондирующих сигналов. Следует ожидать появления РЛС с внутриимпульсным переключением поляризации излучения; в такой РЛС может быть получена информация для быстрого распознавания и классификации целей.

2. Расширение возможности адаптации к изменениям внешних условий, т.е. быстрого автоматического измерения характеристик РЛС в зависимости от складывающейся обстановки с учетом получаемой РЛС информации.

Расширение возможностей адаптации, в первую очередь связано с развитием антенной техники. Реализация цифровых антенных решеток (ЦАР) позволит существенно повысить боевые возможности перспективных средств радиолокации.

Преимущества, которыми обладает ЦАР по сравнению с другими типами ФАР, состоят в следующем:

• оперативное формирование ДН в любом направлении, форма ДН, количество лучей, уровни пересечения задаются и формируются в ЦАР мгновенно;

• цифровое управление весовыми коэффициентами дает возможность осуществлять адаптацию ДН, изменяя ее форму, направление максимума, уровни боковых лепестков; в результате ЦАР становится пространственным фильтром, который выделяет полезный сигнал на фоне мешающих излучений и придает ДН форму, оптимальную для сложившейся ситуации;

• стабильность формы и положения ДН обеспечиваются путем сравнения с эталоном амплитуды и фазы контрольного сигнала, вводимого периодически в ЦАР;

• большой динамический диапазон, т.к. отсутствуют физические причины для ограничения суммарной амплитуды при сложении в цифровом виде сигналов, принятых отдельными модулями. Это позволяет получить на выходе ЦАР динамический диапазон, превышающий динамический диапазон входного усилителя в число раз, равное числу модулей решетки.

3. Внедрение цифровых и цифроаналоговых методов формирования когерентных сигналов. Одним из направлений совершенствования РЛС является разработка гибких, эффективных по мощности и диапазону формирователей непрерывных, квазинепрерывных широкополосных сигналов с различной модуляцией.

При разработке таких формирователей широкое распространение получают цифровые методы формирования сигналов. В отличие от аналоговых они дают возможность по командам от ЭВМ в широких пределах изменять параметры формируемых сигналов, не имеют ограничений по максимальной величине их длительности, обеспечивают высокую реализуемую мощность и долговременную стабильность выходных колебаний. Внедрение цифровых синтезаторов сигналов (ЦСС) позволит получать значительные экономические выгоды за счет высокой технологичности их изготовления в массовом и крупносерийном производстве.

В ЦСС одновременно формируются закон модуляции и несущая частота выходного сигнала.

В качестве начальной команды используется импульс запуска или цифровой код от ЭВМ. Устройство управления дает параметры формируемого сигнала (длительность, ширину спектра, закон изменения частоты или фазы во времени, начальную фазу).

Вычислитель кода используется в формирователях рекурсивного типа, а устройство, запоминающее коды сигнала, – в формирователях табличного типа. Эти каскады в моменты прихода команд от устройства управления и тактовых импульсов от устройств синхронизации вычисляют или выдают в соответствии с теоремой Котельникова-Найквиста заранее записанные в элементах памяти числовые коды текущих значений фазы вырабатываемого сигнала. Они поступают на преобразователь кода фазы в код амплитуды, который обычно представляет собой ПЗУ, хранящее коды синуса соответствующих углов. Это устройство выдает числовой код мгновенного значения напряжения U_i в фиксированные моменты времени t_i с интервалом времени Мt, который преобразуется цифроаналоговым преобразователем в ступенчатое напряжение, дискретно аппроксимирующее формируемый сигнал. Полосовым фильтром можно отфильтровать требуемый сигнал.

Частотный диапазон и ширина полосы формируемых колебаний определяется быстродействием и характеристиками цифровых устройств.

В настоящее время разработаны и выпускаются ЦСС, позволяющие формировать сигналы с шириной спектра 3-20 МГц. Имеются образцы синтезаторов формирующие сигнал с полосой более 300 МГц. Недостатками ЦСС являются фазовые и амплитудные искажения, обусловленные ограниченностью разрядности преобразователей.

4. Использование методов нелинейной радиолокации. Одним из направлений нетрадиционного подхода к решению проблемы обнаружения малозаметных целей, в том числе изготовленных с применением технологии «СТЕЛТ», наблюдаемых на фоне отражений от подстилающей поверхности и местных предметов, является создание качественно новых РЛС на основе использования эффекта нелинейного отражения радиоволн.

Сущность эффекта заключается в том, что большинство объектов военной техники при их облучении не только переотражают падающие электромагнитные волны, но и генерируют собственные гармонические колебания на частотах, кратных основной гармонике зондирующего излучения. Причиной этого является нелинейность переходных характеристик отдельных элементов конструкции целей. Нелинейное отражение электромагнитных волн возникает в местах соединения металлических конструкций, в местах клепки, сварки, в областях коррозии металлов, содержащих переходы типа металл-окисел-металл. Полупроводники также являются генераторами интенсивного излучения на гармониках высших порядков. Последнее представляет собой интерес в связи с планами применения на перспективных летательных аппаратах активных ФАР на полупроводниковых элементах. Сам факт возникновения в отраженных сигналах гармоник высших порядков предполагается использовать в качестве признака, характеризующего цели, что повысит эффективность обнаружения наземных и малоподвижных воздушных целей (боевые вертолеты в режиме зависания), наблюдаемых на фоне интенсивных отражений от подстилающей поверхности и местных предметов.

При проведении исследований были получены экспериментальные спектры эхо-сигналов, позволяющие оценить распределение энергии по частотам для различных типов целей.

Установлено, что эхо-сигналы от металлических и полупроводниковых объектов целесообразно принимать на 3-й и 2-й гармониках основной частоты зондирующего излучения соответственно. Амплитуда сигналов на гармониках, как правило, на 30-40 дБ меньше амплитуды сигналов, отраженных на основной частоте (это на 2-ой гармонике для металлических целей и 3-ей для полупроводниковых целей).

Дальность обнаружения целей нелинейной РЛС, работающей на n-ой гармонике, может быть определена в соответствии с выражением

где Р_и – импульсная мощность передающего устройства, Вт; G_пер, G_пр – коэффициенты направленного действия передающей и приемной антенны соответственно; λ_ПР – длина волны эхо-сигналов, м; σ_n = (Р_n/SИ)ⁿ – ЭПР цели на n-й гармонике; Р_n – мощность переизлученного сигнала на n-й гармонике, Вт; SИ – плотность потока мощности зондирующего излучения вблизи цели, Вт/м²; P_пор – пороговая чувствительность приемного устройства, Вт. Величины ЭПР различных объектов на гармониках изменяются в очень широких пределах. ЭПР небольших металлических узлов на 3-ей гармонике лежат в пределах 10^-7-10^-14 Вт^-2м⁶. ЭПР имеет размерность площади только при n = 1, поэтому провести их сравнительный анализ для различных типов целей весьма затруднительно.

На выбор λ влияют возможности по обеспечению направленного излучения и приема при приемлемых габаритах антенных систем, а также процессы нелинейного отражения электромагнитных волн в элементах целей. Наиболее целесообразным для использования в нелинейных РЛС следует считать диапазон частот 120-1500 МГц.

Расчетные значения дальности обнаружения полупроводниковых и металлических целей нелинейными РЛС при работе в различных диапазонах волн составляют от 4-12 км (λ = 3см) до 7-25 км (λ = 30см). В перспективе следует ожидать увеличения дальности действия нелинейных РЛС за счет повышения чувствительности приемных трактов совершенствования устройств формирования и обработки сигналов, а также роста коэффициента подавления гармонических шумов.

5. Развитие систем обнаружения, использующих передатчики ТВ и радиовещательных станций. Большое внимание уделяется работам, связанным с созданием систем обнаружения воздушных объектов за счет использования энергии сигналов передатчиков ТВ и радиовещательных станций. Применение таких передатчиков для подсвета может стать сравнительно недорогим и эффективным способом обнаружения воздушных объектов в условиях Европейского театра, воздушное пространство которого с высокой кратностью перекрывается полем, сформированным ТВ-передатчиками метрового и дециметрового диапазонов с размещением антенн на специальных вышках (до 250 м и более). Основные характеристики ТВ-сигналов, используемых на Европейском и Североамериканском континентах приведены в табл.8.1.

Таблица 8.1 Технические характеристики сигналов

Страна	Великобр.	ФРГ	Франц	ФРГ	Франц	США	СССР
Используемый ТВ-станд.	А	В	E	G	L	M	D, K
Система цветного телевидения	ПАЛ	ПАЛ	СЕКАМ	ПАЛ	СЕКАМ	НТСН	СЕКАМ
Ширина полосы частот ТВ сигнала, MГц	3	5	10	5	6	4,2	8
Частота кадров/полей, Гц	25/50	25/50	25/50	25/50	25/50	30/60	25/50
Частота следования строк, Гц	10125	15625	20475	15625	15625	15750	15625
Длительность строчных гасящих импульсов, мкс	17-19	12	9-10	12	12	11-12	12
Несущая звукового сопровождения относительно изображения, МГц	–3.5	+5.6	+11.1	+5.5	+6.5	+4.5	+6.5
Девиация частоты сигнала звукового сопровождения, кГц	АМ	50	АМ	50	АМ	25	50
Отношение номинальной мощности радиосигнала изображения к мощности сигнала звукового сопровождения	4/1	10/1	10/1	10/1	10/1	10/1	10/1

Большое значение при создании таких систем имеет форма ДНА передающих центров, которая является всенаправленной в азимутальной и прижатой к поверхности земли в угломестной плоскости. Это дает возможность осуществлять эффективный подсвет маловысотных целей на значительных (до 50-70 км и более) удалениях от передатчика и облегчает обзор пространства многопозиционной системой. Высокий уровень излучаемых передающими станциями мощностей (до десятков киловатт) позволяет обеспечить получение достаточно большой плотности потока мощности сигналов у цели даже при ее значительном удалении от передатчика.

Линейчатый спектр амплитудно-модулированного ТВ-сигнала изображения, обусловленный его строчной и кадровой периодичностью, приводит к тому, что частотно-временная функция рассогласования такого сигнала носит многопиковый характер.

Непрерывный характер ТВ-сигнала позволяет производить частотную селекцию эхо-сигналов с высокой точностью, однако наличие в нем кадровых гасящих импульсов вызывает появление мешающих составляющих, кратных частоте 50 или 60 Гц и лежащих в доплеровском диапазоне. Изменение средней яркости передаваемого ТВ-изображения приводит к изменению средней мощности излучения и изменению уровней главного и боковых пиков частотно-временной функции рассогласования сигнала, что предполагает использование устройств обработки с адаптивным порогом обнаружения. Ширина пиков автокорреляционной функции сигнала ТВ-изображения определяется, в основном, длительностью строчных гасящих импульсов. При этом разрешающая способность системы по суммарной дальности оказывается не менее 3.5 км.

При использовании амплитудной модуляции ТВ сигнала изображения в его АКФ всегда присутствует «пьедестал», обусловленный наличием несущей. При корреляционных и корреляционно-фильтровых способах обработки эхо-сигналов она выступает в качестве противокорреляционной помехи, поэтому для улучшения селекции целей, находящихся на различном удалении от приемного пункта, необходимо применение специальных мер.

Возможен режим работы системы с ТВ-подсветом по строчным гасящим импульсам. В этом случае улучшается селекция целей по дальности, но снижаются энергетические характеристики системы.

Частотно-модулированный ТВ-сигнал звукового сопровождения имеет унимодальную частотно-временную функцию рассогласования, что обеспечивает разрешение эхо-сигналов как по времени запаздывания, так и по частоте Доплера. Однако нестационарность по ширине спектра приводит к изменению ширины пика АКФ в зависимости от случайного характера звукового сопровождения. Это ухудшает разрешающую способность системы по времени запаздывания.

Сигнал цветности, как энергетически слабый, вносит малый вклад в общую энергетику системы обнаружения, а для улучшения селекции целей целесообразно осуществлять совместную обработку составляющих ТВ-сигнала.

Обобщенная структурная схема приемного модуля многопозиционной системы с ТВ-подсветом должна предусматривать основной и опорный приемный каналы, а также канал ПБЛ. Должна быть предусмотрена система компенсации ТВ-сигнала, проникающего в целевой канал.

Одной из главных проблем таких систем является проблема подавления в приемном устройстве проникающих сигналов передатчика, превышающих, как правило, уровень сигналов от цели на 70-100 дБ за счет применения специальных мер и устройств. К таким мерам относят пространственную фильтрацию, автокомпенсацию с частотно-селективной обработкой связью, устройства подавления на видеочастоте.

Дальность обнаружения воздушных объектов зависит от величины базы, коэффициента подавления проникающего сигнала передатчика подсвета и других данных характеризующих мощность передатчика, ЭПР цели, характеристики антенной система приемного устройства.

6. Развитие техники сверхширокополосной локации. Традиционные РЛС с шириной полосы частот, не превышающей 10% от несущей частоты, практически исчерпали свои информационнные возможности. Одним из перспективных направлений, позволяющим существенно увеличить информационность РЛС, является применение сверхширокополосных сигналов с шириной спектра, достигающей одного ГГц.

В сверхширокополосной локации повышение информативности происходит благодаря уменьшению импульсного объема локатора по дальности. Так, при изменении длительности зондирующего импульса с 1 мкс до 1 нс глубина импульсного объема уменьшается с 300 м до 30 см. Можно сказать, что инструмент, который исследует пространство, становится значительно более тонким и чувствительным.

Уменьшение длительности сигнала в СШП локаторе позволяет:

• повысить точность измерения расстояния до объекта и разрешающую способность локатора по всем координатам, поскольку разрешение объектов по одной координате не требует их разрешения по другим;

• произвести распознавание класса и типа объекта;

• повысить эффективность и упростить аппаратуру защиты от всех видов пассивных помех – дождя, тумана, аэрозолей металлизированных полос, поскольку эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР объекта;

• устранить интерференционные провалы в ДН антенны при наблюдении за объектом под низкими углами места, поскольку прямой и отраженный от земли сигналы приходят к антенне в разное время, что позволяет произвести их селекцию;

• устранить лепестковую структуру вторичных ДН облучаемых объектов, так как колебания, отраженные от отдельных частей объекта не интерферируют, тем самым повышается вероятность правильного обнаружения объекта;

• повысить устойчивость локатора к воздействию внешних узкополосных электромагнитных излучений и помех.

Все перечисленные преимущества являются достижимыми. Для их реализации необходима теоретическая база, позволяющая рассчитывать характеристики СШП РЛС. Такая база необходима также для определения требований к элементам радаров и создания необходимой аппаратуры: устройств формирования, излучения, приема и обработки СШП сигналов.

Однако удовлетворительной и систематизированной теории СШП РЛС не создано. Причиной этого являются значительные отличия процесса СШП радиолокационного наблюдения от аналогичного процесса при использовании традиционных узкополосных сигналов. Изучение этих отличий позволяет понять, когда традиционная теория радиолокационного обнаружения может быть использована при проектировании СШП РЛС, когда этой теорией пользоваться нельзя и необходимо применение новых методов. Основными отличиями являются:

• изменение формы сигнала в процессе локационного наблюдения;

• невозможность согласованной (корреляционной) обработки принятого сигнала.