Приемопередающий тракт

РСА относится к классу когерентно-импульсных РЛС. Когерентность — широкое понятие, определяющее степень взаимосвязи различных явлений. Применительно к радиолокации под когерентностью понимают степень взаимосвязи параметров пространственно-временных сигналов.

В когерентных радиолокационных системах в отличие от некогерентных используется информация об изменении не только параметров амплитуды, но и фазы отраженного от цели сигнала. Фаза является наиболее чувствительным параметром сигнала. Так, например, изменение расстояния до цели всего на один сантиметр приводит к изменению фазы сигнала на 180° (в сантиметровом диапазоне волн), в то время как амплитуда сигнала и задержка огибающей сигнала остаются практически неизмененными. Благодаря такой высокой чувствительности использование фазовой информации в РСА позволяет значительно повысить эффективность решения всех тактических задач.

Когерентный приемопередающий тракт РСА включает в себя устройства формирования зондирующего сигнала, усиления и преобразования на промежуточную частоту принимаемого сигнала, фазовые детекторы, АЦП.

Выбор зондирующего сигнала РСА землеобзора определяется многими факторами. Получение высокой разрешающей способности по дальности требует применения широкополосного зондирующего сигнала. Для получения радиолокационного изображения малоотражающей местности и малоразмерных объектов (ВПП, водная поверхность, танки и т.п.) при большой дальности обзора необходима значительная мощность излучаемого сигнала (средняя мощность), малые потери приемопередающего тракта и малые шумы приемника. Обеспечение высокого динамического диапазона изображения требует малого уровня мощности боковых лепестков ФН зондирующего сигнала. Наконец, для обеспечения синтезирования апертуры необходима высокая степень когерентности зондирующего сигнала и всего приемопередающего тракта.

Основным источником информации при синтезировании апертуры является фаза сигнала, отраженного от цели, поэтому под когерентностью приемопередающего тракта РСА обычно понимают наличие априорного знания закона изменения фазы зондирующего сигнала относительно опорного сигнала гетеродина при стабильности фазовых характеристик приемного тракта.

В зависимости от способа обеспечения когерентности приемопередающего тракта РСА разделяются на два класса: истинно когерентные и псевдокогерентные.

Истинно когерентные РСА. Когерентность тракта таких РСА обеспечивается путем формирования всех радиочастотных колебаний и синхроимпульсов от единого высокостабильного опорного генератора с помощью синтезатора частот. В качестве опорного генератора обычно используют прецизионные кварцевые генераторы диапазона 10...50 МГц с последующим умножением (делением) частоты варакторными умножителями.

Для обеспечения высокой стабильности частот и малых фазовых шумов генерируемых колебаний принимаются тщательные меры по стабилизации питающих напряжений, температурной компенсации, изоляции от механических воздействий и т.п. Усилительные приборы типа клистронов и ЛБВ обеспечивают необходимую мощность излучения зондирующего сигнала, сформированного синтезатором частот и модулятором. Как и для опорного генератора, для этих приборов принимаются меры по стабилизации питающих напряжений, так как их нестабильность порядка 1% приводит к фазовым нестабильностям выходного сигнала с СКО порядка 5... 10°. Тщательно сконструированный когерентный передающий тракт имеет малые фазовые шумы и незначительный уход частоты за время синтезирования.

Структурная схема формирования и преобразования сигнала в приемопередающем тракте истинно когерентной РСА показана на рис. 5.2.

, который усиливается усилителем мощности УМ и, пройдя

. Дальнейшая обработка траекторного сигнала (по задержке и по траектории) производится после ФД обычно с помощью цифрового процессора сигналов (на борту ЛА) либо после записи траекторного сигнала с выхода ФД в наземном цифровом или оптическом устройстве обработки. Иногда обработка сигнала по задержке (до синтезирования) производится после УПЧ с помощью аналогового согласованного фильтра.

Обеспечение когерентности тракта РСА при такой схеме формирования зондирующего сигнала предъявляет высокие требования к опорному генератору. Так, если излучаемый сигнал имеет фазу

принимаемый сигнал имеет фазу

. Тогда разность фаз такого процесса имеет дисперсию

приемопередающего тракта. Однако опорные генераторы имеют спектральную плотность фазовых шумов колебаний, возрастающую с уменьшением частоты, что требует учета всех спектральных составляющих фазовых шумов опорного генератора.

интегральный уровень

приемопередатчика обычно не

должна превышать нескольких градусов.

Псевдокогерентные РСА. В РЛС такого класса начальный фазовый сдвиг между зондирующим импульсом передатчика (обычно магнетронного) и сигналом опорного генератора в каждом периоде повторения является случайным. Для обеспечения когерентности такой РЛС производится измерение разности фаз излученного импульса передатчика и сигнала опорного генератора. Для этого в момент излучения импульса часть его мощности ответвляется и проходит через тракт приемника так же, как и отраженные сигналы. На выходе фазового детектора синусный и косинусный сигналы передатчика запоминаются на время одного периода повторения. С помощью запомненных сигналов фазовращатель производит коррекцию фазы принимаемых сигналов. В результате сигналы на выходе фазовращателя не зависят от случайной фазы импульса передатчика и определяются только фазой отраженного сигнала. Возможно также вместо фазы принимаемых сигналов корректировать фазу опорного генератора.

составляет 3... 10°.

Модуляция зондирующего сигнала. Основные характеристики РСА по разрешению, обнаружению и точности измерения координат объектов, а также скрытности и помехоустойчивости определяются модуляцией зондирующего сигнала. Выбор сигналов по большинству подобных критериев сводится к анализу функции неопределенности зондирующего сигнала. Например, ширина главного пика ФН определяет разрешение и точность измерения координат; интегральный уровень боковых лепестков ФН - динамический диапазон изображения; расстояние между основным и боковым пиками ФН - неоднозначность измерения координат и т.п.

. Чем шире спектр, тем

выше разрешающая способность по времени задержки сигнала (дальности), а чем больше длительность - тем выше разрешение по частоте (азимуту).

- ширина спектра доплеровских частот траекторного сигнала. Так, пачка импульсов без внутриимпульсной модуляции имеет ФН в виде периодических

заполнена боковыми лепестками, у пачки импульсов площадь

. Выбирая период

в этой свободной зоне. В этом случае отношение сигнал/фон в изображении будет определяться интегральным уровнем боковых лепестков лишь в небольшой области вблизи основного пика ФН. Кроме того, уровень этих боковых лепестков может быть значительно понижен выбором соответствующей весовой функции при обработке сигнала.

Вторая причина применения импульсного периодического сигнала -это возможность использования одной антенны на передачу и прием. К сожалению, использовать простой импульсный сигнал без внутриим-пульсной модуляции в режиме радиовидения обычно не удается вследствие низкой средней мощности такого сигнала.

П ри импульсной мощности сигнала

, что явно недостаточно.

Максимальная длительность излучаемого сигнала обычно ограничивается максимально допустимой мертвой зоной, обусловленной запиранием приемника на время излучения. У многофункциональных РЛС она обычно не превышает 3-4 км.

Снижение уровней боковых лепестков ФН РСА, как максимального, так и интегрального, достигается выбором закона модуляции зондирующего сигнала и алгоритма обработки. Например, используется согласованная фильтрация и дополнительная весовая обработка. Общее правило снижения боковых лепестков заключается в сглаживании переходных процессов модуляции зондирующего сигнала как при формировании, так и при его обработке. Это приводит к уменьшению внеполосных излучений и мощности боковых лепестков функции неопределенности с учетом обработки.

Применительно к сигналам с внутриимпульсной модуляцией эти закономерности означают, что для получения более низкого уровня боковых лепестков необходимо непрерывное (плавное, без скачков) изменение параметров (фазы, частоты, амплитуды) импульса.

по частоте. В области центрального пика уровень боковых лепестков определяется

:

(функция Хэмминга). Максимальный уровень боковых лепестков понижается с -13,2 дБ до -42,8 дБ, а интегральный с -10,3 дБ до -37 дБ,

так, чтобы

можно

получить одинаковые ФН по

имеет

определяет общую полосу сигнала

был набран полный, без пропусков, требуемый спектр сигнала

. Введение

для неманипулированных импульсов, и определяется длительностью импульса. Таким образом, ФН пачки частотно-манипулированных импульсов аналогична ФН одиночного сигнала с линейной частотной модуляцией.

одинаковых пачек частотно-манипулированных импульсов (пачки пачек), изображено заштрихованными эллипсами 3 на рис. 5.6. Здесь

Очевидными преимуществами такого сигнала являются: • относительно большая длительность одновременно излучаемого и принимаемого немодулированного импульса, что резко снижает требования к широкополосности приемопередающего тракта, ан-теннофидерных устройств и АЦП при общей широкой полосе пачки сигналов;

и более имеют другую несущую частоту и не принимаются приемником;

повышенная помехозащищенность, так как случайное изменение несущей частоты затрудняет разведку сигналов и организацию помех.

К недостаткам такого сигнала следует отнести большую сложность системы и алгоритмов преобразования и обработки сигнала.

в соответствии с выбранным кодом, например кодом Баркера. Такие сигналы удобно генерировать и обрабатывать. Разрешение по задержке определяется длительностью элемента кода, а число элементов в импульсе определяет коэффициент сжатия. Основным недостатком такого сигнала является значительный интегральный уровень боковых лепестков, что приводит к снижению контраста изображения земной поверхности.

Периодическая линейная частотная модуляция. Непрерывные зондирующие сигналы также нашли применение в РСА. Из всех возможных непрерывных сигналов обычно используют сигналы с периодической линейной частотной модуляцией. Период модуляции, как и в случае использования импульсных сигналов, определяется максимальной дальностью обзора и шириной спектра доплеровских частот. Изменение несущей частоты за период модуляции определяет ширину спектра зондирующего сигнала и соответственно разрешение по дальности. Процедура сжатия сигнала по дальности в каждом периоде модуляции заключается в умножении принимаемого сигнала на опорный, в качестве которого используется зондирующий сигнал, и преобразовании Фурье. В результате формируется линейка отсчетов сигнала по дальности с высоким разрешением в пределах заданной зоны обзора по дальности. Дальнейшая обработка пачки, полученной в соседних периодах модуляции, аналогична синтезированию апертуры при периодическом импульсном зондирующем сигнале. При большом периоде модуляции (большой дальности) необходимо учитывать доплеровское смещение частоты в процессе сжатия сигнала по дальности.

Основным недостатком использования непрерывных зондирующих сигналов в РСА является необходимость использования двух антенн (приемной и передающей) с очень высокой степенью изоляции от проникновения излучаемого сигнала в приемный тракт. При недостаточной изоляции фазовые шумы передатчика значительно снижают чувствительность приемника. Поэтому РСА с непрерывным ЛЧМ-сигналом обычно имеют небольшую дальность действия.

5.3. Антенная система

Параметры антенной системы определяют многие характеристики РСА: поляризационные, энергетический потенциал, зону обзора, неоднозначность дальность-азимут, селекцию движущихся целей, точность измерения угловых координат и помехозащищенность.

, может быть преодолено за счет использования многолучевых ДН антенны. Поэтому обычно используют антенну максимально большого размера, исходя из возможностей ее размещения на борту ЛА.

Энергетический потенциал РСА определяется коэффициентом усиления антенны

- коэффициент использования раскрыва антенны, равный

- длина волны РСА.

Антенны бортовых РЛС обычно имеют усиление порядка 30.. .35 дБ.

Потери в антенно-фидерной системе определяются потерями в волноводном тракте от передатчика до антенны (1,5...2 дБ), в обтекателе при прохождении волны туда и обратно (1,2... 1,6 дБ) и в волноводном тракте от антенны до приемника (1,3... 1,6 дБ). Шумами антенной системы по сравнению с шумом входных устройств (усилителей, преобразователей) обычно пренебрегают.

Для обеспечения заданных характеристик радиолокационного изображения наиболее важными параметрами ДН антенны являются:

;

;

как отношение мощности всех боковых лепестков к мощности основного лепестка ДН.

. Тогда интегральный уровень мощности боковых лепестков антенны

где О (0) - нормированная ДН антенны по мощности.

Соответственно в N раз возрастают требования к системе обработки по быстродействию и объему памяти, а также сложность системы формирования ДН антенны. Поэтому расширение зоны обзора чаще достигается путем дополнительного секторного либо переднебокового обзора за счет увеличения времени обзора заданной зоны.

и скорость обзора равна скорости полета носителя

РСА (рис. 5.7,6). Требуемая полоса зоны обзора по азимуту обеспечивается выбором времени обзора:

(рис. 5.7,в). Требуемая полоса обзора:

- число некогерентно накапливаемых изображений одного и того же участка зоны обзора.

. При переходе к следующему интервалу синтезирования ДН

переходит на соседнюю зону обзора, возможно с перекрытием для некогерентного накопления изображений в соответствии с заданным видом обзора (секторным или переднебоковым).

ограничивается ухудшением

возможно за счет

использования ДН специальной формы, например типа

обычно обеспечивается иглообразным лучом.

и формы ДН по азимуту. Нижняя граница оценки

требуемой ширины ДН определяется условием теоремы отсчетов при заданной частоте повторения

ширина ДН

частота повторения

. В этом случае

требования к частоте повторения с уменьшением угла наблюдения (пе-реднебоковой обзор) также уменьшаются:

В случае антенны типа передней ФАР ширина ДН антенны зависит от угла наблюдения, и эти требования будут определяться формулой

При боковой ФАР требуемая частота повторения не зависит от угла наблюдения.

справедливо при использовании двухканальной

т.е. на период максимальной доплеровской частоты приходится два отсчета. В одноканальных системах

обрабоботки, например оптической, требование к частоте повторения увеличивается в два раза.

, отношение мощностей

- ДН антенны по мощности на передачу и прием.

, мощность сигнала первого бокового пика равна мощности основного пика, т.е. подавления не происходит.

, из которого следует, что угол неоднозначности

для обеспечения подавления пика неоднозначности на 35...40 дБ.

. При этом чем выше частота повторения, тем больше подавление пиков неоднозначности по азимуту.

Объединяя требования к частоте повторения для обеспечения подавления пиков неоднозначности одновременно по азимуту и дальности, получим требование к минимальному горизонтальному размеру антенны:

При использовании оптической системы обработки размер антенны должен быть в два раза больше.

, т.е. в области первого пика неоднозначности, будет уменьшаться по сравнению с сигналом основного лепестка пропорционально увеличению дальности (в четвертой степени) и усилению ДН в угломестной плоскости (см. рис. 5.8):

:

. Поэтому часто выбирают более низкую частоту повторения из условия

, а не на

. В этом случае подавление сигнала неоднозначности будет равно

Одновременное выполнение требований по уровню подавления сигналов неоднозначности по азимуту (5.4) и дальности (5.7) противоречиво, так как увеличение частоты повторения повышает эффективность подавления сигналов неоднозначности по азимуту и уменьшает подавление по дальности. Компромисс находится путем варьирования скоростью носителя, углом наблюдения, дальностью, формой ДН антенны и размером антенны (5.6).

, что эквивалентно уменьшению одновременно обрабатываемой

и

, что увеличивает его подавление.

. На рис. 5.10,а дан пример ДН ан-

. Это предъявляет серьезные требования к точности системы

).

Значительное подавление боковых пиков по азимуту возможно при высоком разрешении, когда вследствие расфокусировки (3.13) уменьшается амплитуда и увеличивается площадь сечения по азимуту боковых пиков.

определяется размером антенны по азимуту (5.6):

, который определяет минимально возможный размер

. Кроме того,

, определяемая суммой парциальных ДН, выбирается в соответствии с требуемой максимальной разрешающей способностью и шириной зоны одновременного обзора. Разделение соседних каналов приема по азимуту обеспечивается выбором парциальных ДН с низким уровнем боковых лепестков.

Так как ширина суммарной ДН на передачу увеличивается кратно числу лучей, то соответственно уменьшается коэффициент усиления антенны, однако при этом увеличивается в то же число раз время когерентного накопления при синтезировании и как следствие отношение сигнал/шум не изменяется.

выбирается так, что-

(без учета кривизны Земли):

(5.5):

увеличивается и равен

а в горизонтальной плоскости (5.6) уменьшается:

Таким образом, минимальная площадь антенны не зависит от полосы обзора:

- несущая частота зондирующего сигнала.

т.е. для расширения полосы обзора необходимо увеличивать горизонтальный размер антенны.

число разрешаемых элементов в полосе обзора не зависит от размера антенны:

Расширить полосу обзора по дальности без увеличения горизонтального размера антенны можно двумя способами.

и для каждой более узкой полосы антенна формирует свою ДН

размерам антенны определяются шириной частичной

(5.10), а также

ширины ДН в вертикальной плоскости (5.9).

Так как суммарная ширина ДН на передачу больше в число лучей раз, соответственно уменьшаются коэффициент усиления антенны на передачу и отношение сигнал/шум.

уменьшаются располагаемое время синтезирования на каждое положение ДН по углу места и соответственно разрешающая способность по азимуту. Очевидно, что, используя многолучевую ДН по азимуту, можно скомпенсировать этот недостаток.