Структура радиолокационного канала

РЛС впервые появились как средство обнаружения и определения координат самолетов в системах противовоздушной обороны перед В торой мировой войной. С тех пор радиолокация развивается гигантскими темпами и в настоящее время используется практически во всех комплексах вооружения и при решении многих хозяйственных задач. Главный качественный скачок в радиолокации произошел, когда от обнаружения и измерения координат перешли к распознаванию объектов.

В современной трактовке радиолокация - это обнаружение заданных объектов, определение их координат и других характеристик путем обнаружения и измерения параметров радиоволн, приходящих от объектов.

Радиолокация как наука основана на использовании ряда физических законов, связанных с распространением и рассеянием электромагнитных волн.

Важнейшим для радиолокации свойством электромагнитных волн является их рассеяние при падении на объекты. Это позволяет, принимая рассеянные объектом волны и измеряя их параметры, судить о наличии и свойствах объекта. В общем случае объект рассеивает волны во все стороны, в том числе и в сторону, обратную направлению прихода падающей волны. Таким образом, облучая объект, можно принимать отраженную волну в том же месте, откуда распространяется волна облучения. При многопозиционной радиолокации рассеянные волны принимаются также с других, отличных от облучения, направлений.

Закон о прямолинейности распространения электромагнитных волн в однородной среде используется для определения угловых координат объекта путем измерения направления прихода волны как вектора, перпендикулярного фазовому фронту волны.

Постоянство скорости распространения электромагнитных волн позволяет определять дальность до объекта путем измерения задержки волны при распространении ее о т объекта до радиолокатора.

Важным свойством электромагнитных волн является их малое затухание при распространении в атмосфере и космосе, что позволяет получать большие дальности обнаружения объектов практически в любых метеоусловиях. Только при переходе к миллиметровым волнам затухание в атмосфере значительно ограничивает дальность распространения электромагнитных волн, особенно в дожде.

Электромагнитные волны, рассеянные движущимся объектом, имеют другую длину волны по сравнению с волной облучения (доплеровское смещение частоты). Этот эффект позволяет выделять движущиеся объекты и определять их скорость путем измерения величины смещения частоты.

Кроме перечисленных основных законов, используются многочисленные закономерности рассеяния электромагнитных волн объектами в зависимости от геометрических размеров, формы, электрических свойств материала объекта, а также длины волны, углов падения, поляризации и напряженности электромагнитного поля облучения. Характеристики распространения радиоволн в различных средах также зависят от типа среды (атмосфера, ионосфера, космос, снег, почва и т.п.) и ее неоднородности (турбулентность, облачность, концентрация электронов и т.п.), что учитывается при анализе рассеянного объектом поля.

Часто к радиолокации относят также два других направления науки и техники, связанные с излучением и приемом радиоволн, приходящих от объектов.

Первое направление - радиометрия или теплорадиолокация, использует для изучения объектов их собственное излучение как нагретого тела в радиодиапазоне частот, которое принимается и анализируется широкополосным приемником. Иногда этот метод называют пассивной радиолокацией.

Второе направление — адиолокация с активным ответом. Характерным примером этого направления является система государственного опознавания, в которой объект оснащен активным ответчиком, излучающим электромагнитную волну в ответ на запросную (облучающую) волну радиолокатора. В данной книге оба эти направления рассматриваться не будут.

Структура радиолокационного канала. Она включает в себя собственно РЛС (3), носитель РЛС (6), среду распространения радиоволн (2), группу объектов (1), систему навигации (4) и систему индикации и управления каналом (5) (рис. 1.1). Все эти элементы структуры участвуют в процессе обнаружения и определения характеристик заданных объектов.

1. Группа объектов состоит из заданных объектов (целей), вспомогательных объектов (ориентиров), сопутствующих объектов (фона), объектов излучающих или переизлучающих помеховые сигналы (источников помех).

Цели — заданные объекты, т.е. объекты нашего интереса, могут иметь различную физическую природу: воздушные цели (самолеты, ракеты, облака, дождь, турбулентности атмосферы и т.п.), наземные цели (скопление войск и отдельные виды техники, взлетные полосы аэродромов и сельскохозяйственные угодья, инженерные сооружения и дороги и т.п.), морские цели (корабли, ледовые поля, морская поверхность).

Ориентиры - вспомогательные объекты, которые помогают решать основную задачу обнаружения и определения характеристик целей. Так, например, ориентир - объект с известными координатами используется для высокоточного определения координат целей, расположенных вблизи этого объекта. Другой пример: сигналы от малоразмерных (точечных) отражателей используются в системе автофокусировки для получения детального радиолокационного изображения даже при наличии значительных искажений радиолокационных сигналов.

Фон - сопутствующие объекты, которые обычно препятствуют обнаружению целей. Так, если малоразмерная цель наблюдается на фоне подстилающей (земной) поверхности, то фон маскирует цель. Сигнал от фона намного превышает сигнал от цели, что требует особой системы обработки сигналов для подавления сигнала фона и выделения сигнала цели. В то же время в РЛС с внешней когерентностью сигнал фона является опорным сигналом. При этом сигнал разностной частоты биений опорного сигнала и сигнала цели используется для обнаружения цели, т.е. фон выступает в роли вспомогательного объекта.

Активные и пассивные источники помех являются объектами, которые излучают или переизлучают сигналы, мешающие обнаружению сигналов цели. Помехи обычно используются в процессе радиоэлектронной борьбы, однако они могут быть и непреднамеренными (естественными), например в виде излучения других радиопередающих устройств. Пассивные помехи создаются специальными отражателями (облака диполей, аэрозолей и других образований), отражения от которых маскируют сигналы целей.

Среда распространения радиоволн - пространство между РЛС и объектом. Обычно считается, что электромагнитная волна от объекта до РЛС распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Наличие неоднородности среды (коэффициента преломления) вносит ошибки в процесс измерения характеристик цели, а потери энергии вследствие поглощения в среде приводят к уменьшению дальности обнаружения целей. Поэтому при решении радиолокационных задач требуется учитывать характеристики среды распространения.

Радиолокационная система (РЛС) - включает в себя собственно аппаратуру РЛС (железо) и программное обеспечение (ПО) работы РЛС. Выделение ПО в отдельный элемент обусловлено как важнейшей ролью ПО в решении всех радиолокационных задач, так и ее специфическим видом, как продукта сугубо интеллектуальной деятельности, стоимость которого намного превышает стоимость аппаратуры РЛС. Интеллект РЛС материализован в виде алгоритмов и программ процессоров и вычислительных машин, т.е. в программном обеспечении. Конечно, этот интеллект может быть реализован только при наличии соответствующей аппаратурной части РЛС, которая в свою очередь также требует больших интеллектуальных вложений (технология создания и эксплуатации).

Аппаратура Р ЛС вкл ючает в себя следующие основные блоки: антенные и приемо-передающие модули. Антенно-фидерные устройства модулей обеспечивают направленное излучение и прием радиоволн с учетом их поляризации. Передающие модули обеспечивают усиление, амплитудную и фазовую модуляцию радиочастотных колебаний. Приемные модули обеспечивают малошумящее усиление и преобразование частоты принимаемых радиочастотных колебаний;

синтезатор сигналов, который генерирует колебания заданной радиочастоты, частот модуляции и преобразования для приемопередающих модулей;

процессор обработки сигналов, выполняющий с помощью аналоговых и цифровых устройств заданный алгоритм обработки принимаемых колебаний (синтезирования апертуры);

БЦВМ управления и обработки данных, обеспечивающая согласование работы и режимов всех устройств РЛС и носителя РЛС в соответствии с решаемой задачей, а также обработку данных с выхода сигнального процессора.

Кроме перечисленных составных частей РЛС, в нее также входят устройства технической диагностики, источники питания, сеть распределения сигналов и коммутационные устройства (на рисунке не показаны).

Система навигации снабжает необходимой информацией системы обработки сигналов и управления.

Система индикации и управления обеспечивает связь между оператором и РЛС с использованием устройств отображения информации и интеллектуальных систем управления, реализуемых с помощью ЭВМ.

Носитель РЛС выполняет не только транспортные функции, но и обеспечивает заданное пространственное положение РЛС (траекторию), исходя из задачи формирования требуемого пространственно-временного траекторного сигнала.

Функционирование радиолокационного канала начинается с задания оператором тактической задачи, исходя из которой система управления через БЦВМ управления формирует структуру канала и его режимы работы. Коммутационные устройства обеспечивают реконфигурацию (изменение структуры) РЛС путем переключения приемопередающих модулей и вычислительных модулей процессоров и изменения способов объединения сигналов и данных с помощью сети распределения (шины), соединяющей все модули. Кроме того, система управления изменяет состав модулей программного обеспечения процессоров и БЦВМ для выполнения заданных алгоритмов управления, обработки сигналов и индикации. Сложные задачи реконфигурации аппаратуры РЛС и программного обеспечения требуют большой интеллектуальной поддержки оператора РЛС соответствующим программным обеспечением ЭВМ системы управления, которое высвобождает мышление оператора (летчика) для решения тактических задач.

В соответствии с заданным режимом работы синтезатор сигналов вырабатывает высокочастотные колебания несущей частоты зондирующего сигнала, а также частоты преобразования и модуляции сигналов. Наличие высокостабильного генератора опорной частоты обеспечивает взаимную когерентность всех сигналов, вырабатываемых синтезатором.

Каждый передающий модуль осуществляет модуляцию и усиление сигналов синтезатора. В соответствии с программой процессора управления фазовращатели каждого передающего модуля осуществляют взаимное фазирование излучаемых электромагнитных волн так, чтобы сформировалась требуемая диаграмма направленности (ДН) на передачу.

Излученная электромагнитная волна, пройдя среду распространения от РЛС до объекта, формирует поле облучения объекта. В зависимости от свойств объекта и параметров поля облучения, характеризуемых функцией отражения объекта, формируется рассеянная объектом ЭМВ, распространяющаяся в сторону РЛС.

Отраженная от объекта электромагнитная волна, пройдя среду распространения от объекта до РЛС, возбуждает поле на апертуре приемных антенных модулей. В соответствии с программой процессора управления фазовращатели каждого приемного модуля осуществляют фазирование принимаемых электромагнитных колебаний так, чтобы сформировать требуемую диаграмму направленности на прием. Приемные модули усиливают и преобразуют по частоте и модуляции принимаемые сигналы. Формирование приемной диаграммы направленности возможно как аналоговым сумматором сигналов после фазовращателей, так и в процессе обработки с использованием цифровых фазовращателей. Для этого аналоговые сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые.

Процессор обработки сигналов и БЦВМ выполняют заданные алгоритмы синтезирования апертуры, обнаружения, определения координат и распознавания цели, обеспечения помехозащищенности и другие алгоритмы. Полученные данные используются оператором и подаются в другие системы (разведка, оружие, оборона и т.п.).

Дополнительные каналы (обычно другой физической природы) обеспечивают необходимой информацией процессоры обработки и БЦВМ управления. Это прежде всего система навигации, которая совместно с носителем обеспечивает требуемую траекторию перемещения антенных модулей РЛС, исходя из необходимости решения заданной тактической задачи. Так, при использовании РЛС в качестве информационной системы для наведения носителя РЛС на малоразмерную наземную цель управление траекторией предусматривает получение высокой разрешающей способности (радиовидение цели) и выдерживание заданного вектора путевой скорости относительно объекта.