5. Пассивная радиолокация

Пассивная радиолокация осуществляет обнаружение и измерение координат воздушно-космических, наземных и надводных объектов по их собственному излучению. Пассивные РЛС не имеют в своем составе радиопередающих устройств, а содержат лишь устройства приема, обработки и индикации сигналов. Источниками излучения могут быть работающие радиопередатчики различного назначения, нагретые участки земной поверхности (объема).

Методы пассивной локации имеют ряд специфических особенностей. Из-за отсутствия информации о времени излучения дальность до источника излучения не может быть определена по данным приема только в данном пункте. Для определения всех координат объекта требуются комплекс двух или нескольких разнесенных пунктов приема, соединенных каналами связи. Прием прямого, а не отраженного сигнала, облегчает обнаружение и измерение координат объектов, а незнание формы сигнала и наличие других источников излучение – затрудняет.

Имеются два основных направления пассивной радиолокации:

• радиотехническая разведка – обнаружение, определение координат и параметров излучения радиотехнических средств;

• радиотеплолокация – локация объектов по их тепловому радиоизлучению.

Известны три метода определения координат источников радиоизлучения: триангуляционный (пеленгационной, угломерный), разностно-дальномерный, угломерно-раздностно-дальномерный.

Триангуляционный метод основан на измерении угловых направлений на объекте минимум в двух приемных пунктах, разнесенных на расстояние, называемое базой. Если источник расположен в горизонтальной плоскости (рис.5.1), достаточно измерить два азимута ₁, ₂ (или углы места ₁, ₂).

Местоположение объекта определяется точкой пересечения двух прямых, каждая из которых является линией положения, т.е. геометрическим местом точек возможного местонахождения источника излучения. При определении пространственных координат объекта достаточно измерить азимуты ₁, ₂ в двух пунктах и угол места ₁ в одном, или наоборот – углы места ₁, ₂ в двух пунктах и азимут ₁ в одном (рис.4.2.). Дальность до объекта r рассчитывается по измеренным углам и известной базе (для рис.4.2.)

(5.1)

Точность пеленгования ограничена и вместо линий и поверхностей положения приходиться иметь дело с областями положения. Для уточнения положения объекты в расчет необходимо вводить большее число результатов измерений. Поэтому расчет, приведенный выше называется расчетом «по минимуму данных».

Разностно-дальномерный метод определения координат основан на измерении разности расстояний от источника излучения до пунктов приема (рис.5.3),. Для определения плоскостных координат достаточно измерить две разности расстояний (r_A-r) и (r_B-r), каждая из которых характеризуют свою линию положения. Геометрическим методом точек, разность расстояний которых до двух заданных точек есть величина постоянная.

Поэтому линиями положения будут гиперболы с фокусами в точках расположения приемных пунктов. Местоположение источника излучения определяется точкой пересечения гипербол. Пространственные координаты могут быть вычислены по трем точно измеренным расстояниям. Для этого необходимо иметь три-четыре приемных пункта. Местоположение объекта находиться как точка пересечения трех поверхностей гиперболоидов вращения.

При расположении приемных пунктов на одной прямой (рис.5.3), расчет плоскостных координат проводится по следующим формулам

Из системы уравнений находим

(5.2)

где R₁=r_A -r, R₂=r_B -r - разности расстояний между источником излучения и пунктами приема.

Азимут источника

(5.3)

Угломерно-разностно-дальномерный метод основан на измерении угловых направлений на источник излучения и разности расстояний от него до приемных пунктов. В простейшем случае достаточно иметь два приемных пункта (рис.5.4)

Для определения плоскостных координат источника излучения достаточно измерить азимут  и разность расстояний R от пунктов приема до источника (рис.5.4, а). Местоположение цели определяется точкой пересечения прямой и гиперболы.

Для определения пространственных координат необходимо дополнительно измерить в одном пункте приема угол места  источника излучения (рис.5.4., б). Местоположение источника соответствует точки пересечения двух плоскостей и поверхности гиперболоида. Дальность до цели

(5.4)

Практическая реализация методов пассивной локации связана с необходимостью отождествления сигналов, принятых в различных пунктах от одного и того же источника. Для этого можно использовать возникающие при этом элементы сходства (корреляционные связи) процессов. Возможно использование корреляции одних лишь амплитуд (последетекторная корреляция), корреляция одних лишь фаз, (корреляция после ограничения) и корреляция сигналов в целом с учетом амплитуд и фаз (корреляция сигналов на промежуточной частоте и при большом динамическом диапазоне приемников).

Последетекторная обработка сводиться к вычислению корреляционной функции огибающих сигналов, додетекторная при большом динамическом диапазоне к вычислению корреляционной функции самих сигналов. Практически удается вычислить интеграл от произведения сдвинутых во времени напряжений сигналов, принимаемых в двух пунктах, в функции временного сдвига , вводимого в одном из пунктов приема

который называется корреляционным.

Корреляционная функция стационарных сигналов при большом времени интегрирования (T ) имеет импульсный характер (рис.5.5). длительность корреляционного импульса обратно пропорциональна полосе обрабатываемых частот П. положение максимума корреляционного импульса на оси  соответствует разности временных запаздываний сигнала на пути между источником и приемными пунктами.

Если на вход коррелятора поступают стационарные колебания от двух независимых источников, на выходе коррелятора будут наблюдаться два корреляционных импульса, которые разрешаются при

Системы базовой локации с разностно-дальномерным и угломерно-разностно-дальномерным методами измерения координат, использующие корреляционный метод обработки, называют корреляционно-базовыми. Особенностью устройств корреляционно-бозовой локации является обзор по временному запаздыванию , который осуществляется с помощью корреляторов и может быть параллельным, последовательным и комбинированным,

Радиотехническая разведка.

Радиотехническая разведка – это разведка РТС с помощью пассивных средств. При этом решаются следующие задачи:

• обнаружение работающих РТС;

• определение параметров излучения РТС;

• определение местоположения работающих РТС.

Для местоопределения местоположения работающих РТС используют либо пеленгационной, либо разностно-дальномерный метод, либо их комбинации.

Задача обнаружения в пассивной локации иная, чем в активной. В разведке несущая частота, вид и параметры модуляции сигнала неизвестны, поэтому невозможна согласованная фильтрация. Стоит задача обнаружить сигналы РТС в заданном диапазоне частот и параметров модуляции за короткое время ее работы. При этом обычно пеленгование и обнаружение выполняется разными системами.

Система обнаружения фиксирует наличие сигнала, оценивает его несущую частоту и передает информацию на пеленгатор. Могут использовать как моноимпульсные, так и одноканальные пеленгаторы. Станции разведки могут быть поисковыми по частоте и направлению или беспоисковыми.

Поиск по частоте выполняется в перестраиваемых приемниках, у которых полоса пропускания значительно меньше полосы разведки. Такие приемники называют панорамными. Структурная схема такого приемника изображена на рис. 5.6.

Различают следующие виды поиска по частоте:

• медленный гарантированный;

• быстрый гарантированный;

• поиск со средней скоростью.

На рис.5.7. изображена диаграмма зависимости частоты настройки приемника по времени. Штриховые линии обозначают время существования импульсов. На рисунке обозначено: f_р – полоса разведки; f_ПЧ - полоса пропускания УПЧ; Т_пер - время перестройки приемника на полосу разведки;

Т_пр – время перестройки приемника на полосу пропускания.

В течение времени Т_пр приемник может принимать сигнал фиксированной частоты.

Если за время перестройки приемника на полосу пропускания гарантируется прием хотя бы одного импульса РЛС с самыми большим периодом повторения Т_{п макс}, то будет выполнено условие медленного гарантированного поиска, время которого равно

(5.5)

Приведены й расчет справедлив, если входная последовательность существует непрерывно в течение времени анализа. Такие условия характерны при разведке наземных РЛС с борта самолета.

Условие быстрого гарантированного поиска записывается следующим образом: (перестройка на полосу разведки выполняется за время самого короткого ожидаемого импульса).

Поиск со средней скоростью имеет место, когда не выполняются условия для первых двух.

Беспоисковые по частоте приемники – это приемники прямого условия с параллельно включенными полосовыми фильтрами, перекрывающие всю полосу развязки (рис 5.8).

Крутизну скатов полосовых фильтров выбирают так, что в пределах динамического диапазона сигнал регулируется в одном или двух соседних фильтрах. Если сигнал находится только в одном фильтре, то частота равна , если в два, тот принимается . Максимальная погрешность при этом равна , где - полоса пропускания на уровне верхней границы динамического диапазона.

Радиотеплолокация

Радиотеплолокация - локация объектов по их тепловому радиоизлучению, которое является естественным хаотическим как самих объектов, так и участков местности и пространства. Моделью для излучения теплового излучения является абсолютно черно тело. Спектральная распределения теплового радиоизлучения подчиняется закону Планка и имеет максимум, лежащей в области информационных волн.

Тепловое радиоизлучение имеет ту же природу, что и собственный шум приемника, и не отличается ни по структуре временных различий, ни по спектральным характеристикам. Правило оптимального обнаружения заключается в вычислении отношения правдоподобия и сравнением его с порогом. Пологая внутренний шум белым имеем

где - спектральная плотность мощности шума;

- входные сигналы приемника;

- порог обнаружения;

- время наблюдения.

Оптимальная обработка при однократном приеме сводится к квадратичному детектированию, интегрированию результата детектирования и сравнению с порогом. Величина порога при заданной условной вероятности ложной тревоги выбирается пропорциональной дисперсии собственных шумов приемника.

Дальность действия теплорадиолокации при отношении

определяется из условия

,

где - коэффициент различимости для теплорадиолокации;

- полоса частот;

- длительность интегрирования.

, (5.6)

где - температура абсолютно черного тела;

- расчетная температура (обычно 300⁰ к);

- коэффициент шума приемника;

- площадь приемной антенны;

- поверхность излучения, создающее изотропное излучение с

температурой .

На рис 5.9 изображена структурная схема приемника теплового радиолокатора

Модуляционное устройство осуществляет модуляцию напряжения на выходе квадратичного дешифратора последовательностью положительных и отрицательных видеоимпульсов типа «меандр», что обеспечивает выделение постоянной составляющей.

Приемники теплового радиоизлучения называются радиометрами. Существуют два типа радиометров:

• корреляционные;

• компенсационные.

Структурная схема корреляционного радиометра изображена на рис.5.10 приема.

На схеме обозначено: МШУ – малошумящий усилитель; УПТ – усилитель постоянного тока;

И – индикатор. Для того, чтобы схема была оптимальной применены два отдельных канала приема. Усилитель постоянного тока имеет узкую полосу пропускания ( - время накопления).

В компенсационных радиометрах реализуется следующий алгоритм:

,

где - полезный сигнал;

- внутренние шумы.

Первый член правой части формулы представляет собой энергию суммы сигнала и собственного шума приемника, от второй энергии собственного шума. Структурная схема приемника изображена на рис.5.11.

Вычитание энергии собственного шума из полной энергии входного сигнала реализуется в компенсационном устройстве КУ. Недостатком устройства является необходимость высокой стабильности усилительного тракта.

Одним из вариантов неоптимальной схемы является модуляционный радиометр, схема которого изображена на рис.5.12

По такому же принципу реализовано приемное устройство, схема которого изображена на рис.5.9. Работа радиометра заключается в следующем. Приемник периодически открывается и закрывается модулирующим сигналом типа «меандр». Если полезный сигнал на входе существует, то выходное напряжение изменяется, а если сигнала нет, то изменения нет (рис.5.13). Внешний шум модулируется, а внутренний нет, так как его источники располагаются в схеме после модулятора. Модулированный сигнал выделяется амплитудным детектором и поступает на фазовый детектор, на второй вход которого подается модулирующий сигнал от генератора. В результате на выходе фазового детектора появляется напряжение постоянного тока, которое усиливается и индицируется.

Определенный интерес представляет использование радиоизлучения ионизированных участков пространства при старте баллистических ракет и при ядерном взрыве.

Важное замечание имеет использование инфракрасного диапазона волн, в котором можно получить значительно более высокую разрешающую способность по угловым координатам, чем в радиодиапазоне. Лучшая прозрачность атмосферы для инфракрасных волн, чем для видимых, позволяет увеличить дальность действия приборов инфракрасной техники по сравнению с отличием.

Основными источниками инфракрасного излучения является нагретые участки объектов на местности, детали летательных аппаратов и ракет, факелы газов двигателей.

Для выделения сигналов на фоне помех используют спектральную и пространственную избирательность. Спектральная избирательность обеспечивается оптимальными фильтрами.

Пространственная избирательность обеспечивается путем применения игольчатой диаграммы направленности и специальных схем приема. Обзор пространства может быть механическим и электрическим.