Рисунок 1. Простейший амплитудный моноимпульсный пеленгатор

Основные определения

1. Радиолокацией называется область радиоэлектроники, назначением которой является использование отражения, переизлучения или собственного излучения радиоволн различными объектами для обнаружения этих объектов, измерения их координат и параметров движения, а также для оценки свойств объектов. Эта область техники, зародившаяся в конце 30 – х годов, в настоящее время находит широчайшее применение - от систем обеспечения мягкой посадки космических аппаратов до устройств измерения скорости движения автомашин, от комплексов противоракетной обороны до миниатюрных карманных приборов для защиты от грабителей.

2. Объекты радиолокационного наблюдения (или, как их обычно называют, цели) могут быть аэродинамическими (самолеты, вертолеты), баллистическими или космическими (искусственные спутники Земли, головки баллистических ракет), наземными и надводными (автомашины, танки, корабли), а также иметь естественное происхождение (участки земной и водной поверхности, облака, планеты).

3. Основные преимущества радиолокационных методовполучения информации об объектах наблюдения определяются:

- возможностью вести наблюдения в любое время суток, через облака, дождь и туман;

- большой дальностью действия;

- возможностью измерения параметров движения целей с высокой точностью.

4. В радиолокационных системах используется несколько методов получения информации о целях. Наиболее распространенным является метод активной радиолокации, основанный на облучении целей радиоволнами и приеме отраженных радиосигналов. Устройства активной радиолокации могут быть совмещенными и разнесенными. В первом случае радиопередатчик, предназначенный для облучения целей, и радиоприемник, служащий для приема отраженных сигналов, располагаются в непосредственной близости и обычно входят в состав одной радиолокационной станции. Во втором случае точки излучения и приема радиоволн располагаются на удалении друг от друга. Активную радиолокацию с разнесенными точками излучения и приема радиосигналов называют также полуактивной радиолокацией.

5. С помощью радиолокационных устройств можнорешить следующие задачи:

- обнаружить присутствие объектов наблюдения (целей);

- измерить их пространственные координаты (дальность, угловые координаты, высоту над поверхностью Земли и др.);

- определить скорости измерения координат и абсолютные скорости движения целей;

- определить производные координат целей по времени более высокого порядка;

- выявить траектории движения целей на интервале наблюдения и прогнозировать их;

- оценить некоторые свойства обнаруживаемых целей (размеры кораблей или поверхности планет и др.);

- определить государственную принадлежность наблюдаемых целей.

6. Радиолокационными станциями(РЛС) или радиолокаторами называются технические средства получения радиолокационной информации. Основными составными частями РЛС являются:

- радиопередатчик, предназначенный для формирования сигналов, зондирующих пространство;

- антенное устройство, предназначенное для излучения и приема радиоволн;

- радиоприемник, предназначенный для селекции, усиления и необходимого преобразования сигналов, несущих информацию о целях;

- выходное устройство, позволяющее представить имеющуюся информацию о целях в виде, удобном для получателя (электронно-лучевой индикатор или преобразователь электрических сигналов приемника в код используемый в электронной цифровой вычислительной машине);

- управляющее устройство, предназначенное для создания управляющих электрических сигналов, определяющих вид излучаемых колебаний и их периодичность, а также и выходном устройстве.

7. По назначениюрадиолокационные станции можно разделить на следующие основные группы: наземные РЛС, корабельные РЛС.

Наземные РЛС:

1. станции управления воздушным движением в районе аэродрома;

2. станции посадки самолетов;

3. станции обзора летного поля;

4. станции обнаружения воздушных целей и наведения на них истребителей;

5. станции обнаружения баллистических ракет и искусственных спутников Земли и слежения за ними.

6. станции целеуказания, используемые для выбора цели при стрельбе зенитной артиллерии или зенитными управляемыми ракетами;

7. станции орудийной наводки и наведения зенитных управляемых ракет;

8. станции разведки движущихся наземных целей, предназначенные для наблюдения за передвижением войск и техники противника в прифронтовой полосе на поле боя;

9. загоризонтные станции обратного рассеяния, предназначенные для обнаружения низколетающих самолетов и запусков баллистических ракет как наземными установками, так и с подводных лодок и кораблей;

10. метеорологические станции, предназначенные для измерения скорости и направления ветра на различных высотах; определения интенсивности, формы, направления и скорости перемещения ливневых и грозовых очагов; обнаружения зон инверсий и влажности, а также зон повышенной турбулентности; оперативного наблюдения за тайфунами, торнадо, шквалами.

8. Любая РЛС характеризуется следующими показателями:

- назначением;

- размерами области пространства, в пределах которой осуществляется наблюдение целей (зона обзора);

- временем, требующимся для осмотра заданной зоны обзора (период обзора);

- измеряемыми координатами целей и их производными по времени;

- точностью измерения координат;

- разрешающей способностью;

- эксплуатационной надежностью;

- помехозащищенностью.

Зона обзора РЛС ограничивается максимальной и минимальной дальностью обнаружения целей, а также секторами обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Измеряемыми координатами целей чаще всего являются их дальность и две угловые координаты – азимут и угол места; широкое применение находят также измерения высоты полета целей, радиальной составляющей их скорости, угловых скоростей их перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

При оценке точности измерений, осуществляемых с помощью РЛС, обычно принимают во внимание лишь случайные составляющие ошибок. В качестве характеристик точности чаще всего используют среднеквадратическое значение или дисперсию ошибки измерения.

Разрешающая способность РЛС характеризует возможность раздельного наблюдения целей, которые различаются значениями координат или их производных. Так, разрешающая способность РЛС по дальности определяется тем минимальным расстоянием между двумя целями, имеющими одинаковые угловые координаты и скорость перемещения, при котором эти цели еще наблюдаются раздельно. Разрешающая способность по угловой координате определяется минимальным углом между направлениями на две цели из точки расположения РЛС, при котором еще возможно раздельное наблюдение этих целей. Иногда разрешающую способность РЛС характеризуют элементарным разрешаемым объектом, размеры которого определяются таким образом, что две цели, находящиеся в центрах соседних элементарных объемов, наблюдаются раздельно. Если расстояние между целями меньше размера элемента разрешения, то эти цели воспринимаются радиолокационной станцией как одна.

Эксплуатационной надежностью РЛС называется свойство выполнять возложенные на нее функции в реальных условиях эксплуатации. Обычно эксплуатационную надежность станции характеризуют вероятностью безотказной работы в течение заданного времени или средним значением времени работы между двумя последующими отказами.

Помехозащищенностью называется способность РЛС сохранять свои тактические показатели при воздействии помех. Для оценки помехозащищенности не выработано единого критерия. В самом общем виде можно сказать, что из двух РЛС та обладает более высокой помехозащищенностью, у которой при прочих равных условиях воздействие помехи вызовет меньшее ухудшение тактических показателей.

9. Показатели каждой РЛС определяются ее техническими характеристиками. К основным техническим характеристикам РЛС относятся:

- вид и параметры излучаемых колебаний (закон модуляции, временные показатели и т.д.);

- способ обработки сигналов в приемнике;

- несущая частота или длина волны излучаемых колебаний;

- средняя форма и пиковая мощностью излучения;

- форма и ширина диаграммы направленности антенны, а также значения эффективной площади антенны и ее коэффициента усиления;

- закон перемещения в пространстве диаграммы направленности антенны;

- время облучения точечной цели;

- чувствительность приемного устройства;

- способ выдачи выходных данных РЛС;

10. В соответствии с решаемыми задачамиразличают радиолокационные станции обнаружения, точного измерения дальности или угловых координат, распознавания целей, выявления их траекторий и т.д. В настоящее время получают широкое распространение многофункциональные РЛС, которые позволяют одновременно или последовательно решать различные задачи. В зависимости от возможности одновременного наблюдения только одной или многих целей РЛС подразделяются на одноцелевые и многоцелевые.

11. По виду зондирующих (облучающих цели) сигналовстанции активной радиолокации могут быть разделены на две большие группы: РЛС с импульсным и непрерывным излучением.

Представителями импульсных РЛС являются:

- некогерентные импульсные станции;

- когерентно – импульсные станции с большой скваженностью;

- когерентно – импульсные станции с малой скваженностью;

- станции с внутриимпульсной частотной модуляцией;

- станции с внутриимпульсной фазовой манипуляцией.

В РЛС с непрерывным излучением могут использоваться:

- немодулированные незатухающие колебания;

- частотно – модулированные колебания;

- непрерывные шумоподобные сигналы.

Принцип действия и характеристики РЛС с перечисленными зондирующими сигналами рассмотрены ниже.

Главными достоинствами импульсных РЛС являются простота измерения дальности до цели, в том числе и при наличии многих целей, и несложность использования одной антенны для приема и передачи. К недостаткам импульсных РЛС относятся необходимость применения больших пиковых мощностей излучаемых колебаний и сложность измерения скорости цели, особенно с высокой точностью.

РЛС с непрерывным излучением позволяют:

- эффективно различать цели путем селекции по скорости;

- однозначно различать цели путем селекции по скорости;

- однозначно измерять скорость в широком диапазоне ее возможных измерений;

- измерять очень малые расстояния;

- работать при относительно малой мощности излучения.

К недостаткам РЛС с непрерывным излучением следует отнести сложность развязки приемного и предыдущего трактов, а также сложность выходных устройств, особенно при необходимости вести наблюдение за многими целями по нескольким параметрам.

12. Угломерное (пеленгационное) устройствовключает приемную антенну, приемник, в котором производится какие – либо преобразования принятого сигнала, и измеритель, позволяющий произвести отсчет координаты. К основным характеристикам пеленгационного устройства относятся: пеленгационная характеристика U_вых (j), представляющая собой зависимость математического ожидания выходного напряжения пеленгатора от направления j прихода радиоволн, и пеленгационная чувствительность S_пел, равная крутизне пеленгационной характеристики устройства в направлении пеленга цели, т.е. при j = j_ц:

13. При пеленгации по методу максимумаприемная антенна плавно поворачивается (ее ось при этом изменяет положение в пространстве) и отсчет пеленга цели производится в тот момент, когда амплитуда выходного сигнала достигает максимума. Пеленгационная характеристика при использовании метода максимума повторяет диаграмму направленности приемной антенны

где F(j) – диаграмма направленности приемной антенны по напряженности поля; k – коэффициент пропорциональности.

При работе с таким пеленгатором оператору необходимо следить за показаниями двух приборов (измерителя выходного напряжения и указателя угла j) и сопоставлять их во времени.

Достоинства метода максимума состоят в простоте его реализации и приеме наибольшего по амплитуде сигнала в момент пеленга. Основной недостаток заключается в низкой точности, так как пеленгационная чувствительность вблизи максимума диаграммы направленности стремится к нулю.

14. Равносигнальный метод пеленгации требует приема сигнала либо одновременно двумя антеннами с разнесенными в пространстве диаграммами, либо одной антенной при двух различных положениях в пространстве ее диаграммы направленности. Пеленг цели определяется по положению антенного устройства в тот момент, когда амплитуды обоих принимаемых сигналов становятся равными.

Равносигнальный метод по сравнению с методом пеленгации по максимуму позволяет существенно повысить точность измерения угловых координат и достаточно просто осуществить автоматическое слежение за целью по угловым координатам.

15. Примером реализации равносигнального метода определения угловых координат являются амплитудные моноимпульсные пеленгаторы.

Схема простейшего моноимпульсного устройства для пеленгации в одной плоскости приведена на рисунке 1. В моноимпульсном пеленгаторе сигнал одновременно поступает в две приемные антенны, диаграммы направленности F₁(j) и F₂(j) которых смещены друг относительно друга на фиксированный угол Dq. Механически обе антенны представляют собой единое целое и поворачиваются одновременно на один и тот же угол. В простейшем случае поворот антенной системы осуществляет оператор, руководствуясь показаниями выходного измерителя напряжения, в реальных локаторах для поворота антенного устройства используются системы электромеханического привода. Напряжения U₁ и U₂ от двух приемников сравниваются по амплитуде в схеме вычитания. Выходное напряжение U_вых = U₁ – U₂ равно нулю в том случае, если цель находится на равносигнальном направлении ОО¹. Для определения пеленга цели следует поворачивать антенную систему, добиваясь равенства нулю U_вых, и определять угол j_ц по положению антенны. Если U_вых не равно нулю, то его знак указывает требуемое для точной пеленгации направление поворота антенной системы.

Рисунок 1. Простейший амплитудный моноимпульсный пеленгатор

Основное достоинство многоимпульсных пеленгаторов состоит в том, что направление пеленга (равносигнальное направление антенной системы) не изменяется при флуктациях амплитуды принимаемых сигналов. Но приведенному простейшему варианту многоимпульсного пеленгатора свойственны серьезные недостатки: равносигнальное направление изменяется при флуктуации параметров усилительных трактов, а пеленгационная чувствительность зависит от абсолютного значения амплитуды принимаемых сигналов: чем меньше амплитуда, тем меньше чувствительность.

Второй из отмеченных недостатков устранен в суммарно – разностных многоимпульсных пеленгаторах, где образуется не только разность сигналов, но и их сумма. Напряжение суммарного сигнала используется для автоматической регулировки усиления (АРУ) приемников. Такого же эффекта можно добиться применением в моноимпульсном пеленгаторе приемников с логарифмическими амплитудными характеристиками и выходной схемы вычитания. При этом

U_вых = lgU₁ – lgU₂ = lg(U₁ / U₂)

и пеленгатор также оказывается нечувствителен к флуктациям амплитуд входных сигналов.

16. В основе фазовых методов измерения угловых координатлежит сравнение фаз сигналов, образующихся на выходе приемных антенн. Схема простейшего моноимпульсного фазового пеленгатора изображена на рисунке 2. для пеленгации в одной плоскости используются две антенны А₁ и А₂. Принятые сигналы

u₁(t) = kF₁(g)coswt,

u₂(t) = kF₂(g)cos(wt - DY),

где DY = 2p(а / g) sin j - фазовый сдвиг принятых колебаний из - за различия путей распространения волн от цели до антенн, поступают к усилителям высокой частоты (УВЧ), которые осуществляют нормировку амплитуды колебаний, путем амплитудного ограничения. В одном из каналов имеется фазовращатель, изменяющий фазу колебаний на 90⁰. Усиленные высокочастотные сигналы поступают к усилителям высокой частоты (УВЧ), которые осуществляют нормировку амплитуды колебаний, например, путем амплитудного ограничения. В одном из каналов имеется фазовращатель, изменяющий фазу колебаний на 90⁰. Усиленные высокочастотные сигналы поступают к фазовому детектору,

Рисунок 2. Схема простейшего фазового пеленгатора

выходное напряжение которого является функцией угла прихода волны. Если расстояние между антеннами направленного действия равно а, длина волны принимаемых колебаний g, угол прихода волны j, то с учетом действия фазовращателя пеленг цели определяется следующим соотношением:

j = arcsin (gDY / 2 pа).

Выходное напряжение фазового детектора составляет

U_вых(j) = k sin[(2pa / l)sinj].

для малых значений j

U_вых(j) = ksin(2paj / l).

Определение пеленга цели можно осуществлять двумя путями: либо отсчитывать угол по показаниям измерителя напряжения, либо поворачивать антенную систему до тех пор пока выходное напряжение не окажется равным нулю угла j, и отсчитывать пеленг по положению антенны. При изменениях j в широких пределах пеленгационная характеристика неоднозначна. Устранение неоднозначности пеленга может быть достигнуто применением антенн направленного действия. Ширина диаграммы направленности каждой антенны не должна превышать Dj_одн. Диапазон однозначного измерения угла может быть принят равным

Dj_одн. = l / 2а,

если диапазон однозначного измерения фазы составляет p. Уменьшение базы пеленгатора позволяет увеличить диапазон однозначного измерения угла при одновременном пропорциональном уменьшении точности пеленгации. Недостаток системы состоит в том, что нестабильность фазовых сдвигов в каналах усиления приводит к смещению равно фазового направления антенны и, следовательно, к ошибкам пеленгации.

17. Амплитудно – фазовые методы измерения угловых координатхарактеризуются тем, что в них используется зависимость от углового положения цели не только амплитуды сигнала на выходе антенны, но и его фазы.

18. Измерение радиальной скорости движения цели основано на использовании эффекта Допплера, заключающегося в том, что частоты излучаемых и принимаемых колебаний различны, если приемник перемещается относительно источника излучения. Пусть в точке О находится передатчик.

В точке А – приемник, движущийся со скоростью v. Тогда частоты излучаемых f₀ и принимаемых f_пр колебаний связаны соотношением

f_пр = f₀(1 - v_cp / c) / [(1 – (v/c)²)]^0,5,

здесь v_p = vcosa - радиальная составляющая скорости движения точки А относительно точки О; v – модуль скорости движения цели; с – скорость света.

При условии v « с справедлива приближенная формула

f_пр f₀ (1 - v_p / c).

Величина

f₀v_p / C = v_p / l = F_д

представляет собой допплеровское смещение частоты сигнала, а радиальная составляющая скорости цели выражается очередным равенством

v_p = F_дl.

Для того чтобы воспользоваться указанным методом определения радиальной скорости, необходимо иметь автономные высокостабильные генераторы, настроенные на одинаковую частоту, в точках передачи и приема колебаний. Сравнение частоты принятых колебаний с частотой эталонного генератора позволит определить доплеровский частотный сдвиг.

19. В радиолокации,где чаще всего используется отражение от цели сигналы, значение допплеровского смещенияприближенно удваивается. Допустив, что передатчик и приемник расположены в одной и той же точке О, а движущаяся со скоростью v цель в точке А, получим, что частота принимаемых отраженных сигналов равна

f_пр = f₀(1 - v_p / с) / (1 + v_p / c).

Амплитудно-фазовые методы измерения угловых координатхарактеризуются тем, что в них используется зависимость от углового положения цели не только амплитуды сигнала на выходе антенны, но и его фазы.

Супергетеродинный приемник позволяет получить более высокую чувствительность приемного тракта. Это связано с тем , что уровень шумов кристаллического смесителя меньше в области относительно высокой промежуточной частоты. Схема радиолокатора изображена на рисунке 3. Основное усиление сигнала имеет место на промежуточной частоте. С помощью второго преобразования частоты выделяется Доплеровская частота F_д.

Рисунок. 3 Супергетеродинный измеритель доплеровской частоты

Радиолокационные цели.

1. Основными характеристиками радиолокационных целейявляются:

- эффективная отражающая площадь цели и закон ее распределения;

- спектр флуктуации и ее амплитуда (мощности) отраженного сигнала;

- спектр флуктуации фазового фронта отраженного сигнала;

- особенности траектории движения цели;

2. Эффективная отражающая площадь целиназывается эффективная поверхность площадью s являющаяся изотропным и не поглощающим энергию переизлучателя, которая, будучи помещена в точку цели создает у антенны РЛС такую же плотность потока мощности как и реальная цель.

Эффективная отражающая площадь цели характеризует отражающие свойства цели. Эти свойства зависят от длины волны РВС, материала, размеров и конфигурации цели и от направления облучения. Точный учет каждого из этих факторов в отдельности практически невозможен и эффективная отражающая площадь является величиной, обобщенно учитывающая их совместное влияние на интенсивность сигнала, отраженного целью.

Эффективная отражающая площадь цели может быть определена по формуле

s = 4pD²r_РЛС / r_ц,

где D – дальность до цели;

r_РЛС – плотность потока мощности отраженного сигнала у

антенны РЛС;

r_ц – плотность потока мощности зондирующего сигнала и цели.

Плотность потока мощности рассчитывается по формуле:

r = PG / 4pD²,

где Р – мощность излучаемого сигнала;

G – коэффициент направленного действия антенны.

По методу определения эффективной отражающей площади все цели можно разделить на элементарные и сложные.Эффективно отражающая площадь элементарных целей может быть определена аналитически. Такой расчет возможен лишь для ограниченного числа объектов простейшей формы, выполненных из однородного отражающего идеального материала. Примеров элементарных целей могут служить металлические шар, лист, вибратор, уголковые отражатели и некоторые другие тела. Эффективная отражающая площадь сложных целей может быть определена только экспериментально и описана статистически. К сложным целям относятся подавляющее большинство реальных целей.

С точки зрения разрешающей способности сложные цели, в свою очередь могут быть разделены на точечные и распределенные.

Точечными называют такие цели, линейные и угловые размеры которых значительно меньше элементов разрешения РЛС по дальности и угловым координатам, а разность радиальных скоростей и крайних точек много меньше элемента разрешения по скорости. Примерами точечных целей могут служить самолеты и корабли на больших удалениях от РЛС, искусственные спутники. Распределенными целями называют такие цели, для которых указанные выше соотношения не выполняются. Распределенные цели могут быть поверхностными (земная и водная поверхность) и объемными (облака пассивных отражателей, дождевые облака, туман, дождь, снег).

12 Следующая ⇒