Радиолокация. Радиолокационные цели. ЭПР

Любая неоднородность электрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемости, проводимости) приводит к возникновению рассеяния электромагнитных волн. На поверхности цели, как на границе раздела двух сред, под воздействием поля волны, возникают токи проводимости, если поверхность проводящая, или токи смещения в диэлектрике. Эти токи являются причиной вторичного излучения радиоволн. 
Интенсивность вторичного излучения и характеристика рассеяния радиоволн в различных направлениях зависят от геометрических размеров и конфигурации цели, физических свойств ее вещества, длины и поляризации падающей волны. Цели, имеющие малые по сравнению с длиной волны геометрические размеры, слабо рассеивают электромагнитные волны. Электромагнитные волны огибают такие цели. В дальнейшем будем полагать, что размеры цели существенно превышают длину волны. 
Понятие об эффективной площади рассеяния целей. В расчетах дальности действия систем радиолокации весьма затруднительно учесть характеристики, присущие каждой конкретной цели (габариты, конфигурацию и т. д.). Поэтому вводится стандартная мера отражающих свойств целей, которая носит название эффективной площади рассеяния (ЭПР) и позволяет формализовать расчеты дальности действия. В этих расчетах принимаются во внимание не конкретные характеристики целей, а величина их ЭПР, которая имеет размерность площади. Понятию ЭПР можно дать следующую интерпретацию: эффективная площадь рассеяния цели количественно равна площади не поглащающей и равномерно во всех направлениях рассеивающей электромагнитные волны поверхности, которая, будучи расположена нормально лучу радиолокатора, создает у его приемной антенны поле той же интенсивности, что и реальная цель. 
Методы измерения координат целей 
Измерение угловых координат. В радиолокации применение находят амплитудные (максимума и сравнения) и фазовые методы измерения угловых координат. 
Метод максимума (анализа огибающей) реализуется с помощью остронаправленной антенны. Применяется этот метод преимущественно в РЛС обзорного типа. При обзоре пространства сканирующий луч радиолокатора проходит направление на цель. Огибающая амплитуд пачки импульсов принимаемого сигнала изменяется в соответствии с формой диаграммы направленности антенны и достигает максимального значения в момент времени, когда луч антенны направлен на цель. Измеренное направление отождествляется с положением луча антенны в этот момент времени. Измерение направления, таким образом, сводится к анализу огибающей принятого сигнала и фиксации момента времени, соответствующего экстремуму огибающей. 
Метод сравнения реализуется с помощью направленной антенны, имеющей два пересекающихся в пространстве лепестка. Максимумы лепестков ДН смещены относительно равносигнального направления РСН на некоторый угол б. Метод основан на сравнении амплитуд сигналов, принятых по этим лепесткам; при равенстве амплитуд направление на цель совпадает с равносигнальными—РСН. При отклонении цели относительно равносигнального направления возникает сигнал рассогласования, величина которого определяется степенью отклонения, а знак (полярность) стороной отклонения. Пеленгационная характеристика угломерного устройства является нечетно симметричной функцией. Благодаря характеристике такого вида метод сравнения оказывается весьма удобным для применения в измерителях координат следящего типа. Крутизна пеленгационной характеристики в равносигнальном направлении имеет максимальную величину. Поэтому метод сравнения позволяет обеспечить при равных условиях более высокую точность по сравнению 
с методом максимума. 
Известны два вида радиопеленгаторов, использующих метод сравнения: многоканальный (моноимпульсный) и одноканальный. 
5.Радиолокационные станции следящего типа 
Общие сведения. 
Обзорные РЛС не обеспечивают получения информации, необходимой для решения некоторых практических задач непрерывного измерения координат цели, имеют низкий темп выдачи информации. Применение режима слежения позволяет измерять координаты целей с повышенной точностью и непрерывную выдачу их значений. РЛС следящего типа осуществляют слежение за угловыми координатами целей, а также за их дальностью или радиальной скоростью. В некоторых случаях, например в импульсно-доплеровских РЛС, возможно слежение за всеми перечисленными параметрами положения и движения цели. В соответствии со своим назначением РЛС следящего типа именуются также координатами. 
Одноканальные СИН с коническим сканированием луча. Коническое сканирование создается с помощью осесимметричного иглообразного луча путем его вращения, при котором ось симметрии ДН описывает в пространстве конус (рис. 1). Вращение диаграммы направленности излучаемой энергии с частотой т осуществляется двигателем ДВ, вращающим параболический отражатель (или вибратор) антенны так, что ось максимума излучаемой энергии описывает в пространстве конус. Телесный угол конуса должен быть меньше удвоенного угла раствора луча. Вращение отражателя из конструктивных соображений применяется при сравнительно небольших диаметрах зеркала. При вращении вибратора необходимо подвижное волноводное сочленение, которое менее удобно, но необходимо при сравнительно больших диаметрах зеркала.

Для образования  конического сканирования диаграммы  вращением отражателя оптическая ось  параболического отражателя смещается  на некоторый угол относительно оси  вращения. При образовании же конуса вращением вибратора соответственно смещается облучатель относительно оптической оси отражателя. 
Частота вращения луча, или частота сканирования ЧK, лежит обычно в пределах 25—80 периодов в секунду. Стабильность частоты вращения луча обеспечивается автоматической стабилизацией скорости вращения двигателя ДВ. При сканировании диаграммы образуется равносигнальное направление. 
Равносигнальным направлением называется такое направление в пространстве, на котором амплитуды импульсов, отраженных от объекта, не изменяются при вращении диаграммы направленности. Это направление совпадает с осью, относительно которой вращается максимум излучения. 
Нетрудно видеть, что ось вращения является РСН, так как амплитуда сигналов, принимаемых с этого направления, не зависит от текущего положения сканирующего луча. Угол при вершине конуса выбирается малым (соизмеримым с шириной ДН) так, чтобы сигналы, поступающие с РСН, имели достаточно высокий уровень. При смещении цели от РСН возникает амплитудная модуляция принимаемых сигналов 
S(t)=А[1+Mcos(їt-ц)]cos(щt+ш) (3) 
где A, щ, ш—соответственно амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания; ї - частота сканирования; М—коэффициент модуляции; ц — начальная фаза огибающей модуляции. Коэффициент модуляции М=мг где м - параметр антенны, г - угловое рассогласование, несет информацию о степени отклонения цели от равносигнального направления, а фаза ц— о стороне отклонения. 
Ясно, что информация об угловых координатах из сигнала (3) может быть извлечена в результате последовательного сравнения значений его амплитуды. Существенно, что время этого анализа не может быть меньше периода сканирования Т=2р/ї. 
Принятый сигнал S(t) отфильтровывается от помех и усиливается в супергетеродинном приемнике координатора. Приемник охвачен АРУ, постоянная времени которой выбирается больше периода сканирования луча антенны T. Такая схема АРУ исключает зависимость амплитуды на выходе приемника от интенсивности принимаемых сигналов, но не подавляет модуляцию сигналом рассогласования. Амплитудный детектор приемника (АД) выделяет огибающую амплитудной модуляции-сигнал рассогласования Sp. В импульсных РЛС на выходе АД имеет место последовательность видеоимпульсов, модулированная по амплитуде сигналом рассогласования. Детектор сигнала рассогласования — ДСР (пиковый детектор) преобразует импульсный сигнал в непрерывный. С учетом нормирующего действия АРУ 
Sp(t)=АоMcos(їt-ц), (4) 
где Ао - константа. 
Амплитуда Ао и фаза ц сигнала рассогласования (4) определяют направление на цель относительно РСН в полярных координатах. Управление положением антенны производится в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, т.е. в декартовых координатах. Поэтому сигнал рассогласования в фазовых детекторах (ФД) раскладывается на две ортогональные составляющие, которые используются для управления положением антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. 
На входы ФД поступают сигналы рассогласования и опорные-напряжения, имеющие фазовый сдвиг на р/2: 
U1(t)=Ucosїt, 
U2(t)=Usinїt. 
Схема РЛС автоматического сопровождения цели 
Опорные напряжения вырабатываются генератором опорных напряжений — ГОН, механически сопряженным с приводом вращения облучателя зеркала антенны. Фазовый сдвиг опорных напряжений на р/2 создается в фазовращателе. Фаза опорных напряжений однозначно связана с фазой сканирующего в пространстве луча. На выходе ФД образуются напряжения рассогласования пропорциональные величинам углового рассогласования, а в горизонтальной плоскости и в в вертикальной плоскости 
Ux=Uoб, Uy=Uoв (5) 
где Uo постоянная величина. 
В каналах управления антенной напряжения рассогласования (5) усиливаются и поступают на двигатели электропривода, поворачивающие антенну в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно. Антенна перемещается в положение, в котором РСН совмещается с направлением на цель. При этом Ux→0 и Uy→0. 
Коническое сканирование на сантиметровых волнах создается с помощью параболической антенны, облучатель зеркала которой быстро вращается в фокальной плоскости по окружности малого радиуса с помощью электромеханического привода. При малых размерах отражателя сканирование создается с помощью наклонного сбалансированного зеркала, вращающегося вокруг неподвижного облучателя. Благодаря этому упрощается конструкция СВЧ-части антенны и устраняется нежелательное вращение плоскости поляризации, присущее первому способу. Частота сканирования обычно составляет несколько десятков герц. Антенна, приемник СИН с коническим сканированием имеют более простую конструкцию по сравнению с моноимпульсными измерителями лучшие массо-габаритные показатели и меньшую стоимость. Для измерения направления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в таких СИН достаточно одного приемного канала. К элементам и узлам антенны и приемника предъявляются умеренно жесткие требования к точности и стабильности. 
Наряду с достоинствами, одноканальным СИН присущи недостатки. Главным из них является наличие модуляционных погрешностей, обусловленных внешней амплитудной модуляцией принимаемых сигналов. Такая модуляция приводит к образованию ложного сигнала рассогласования на выходе приемника и, как следствие  к погрешностям измерения угловой координаты. В отличие от многоканальных СИН в одноканальном измерителе модуляционная помеха не может быть полностью устранена. В самом деле, модуляция с частотой, близкой Ω, не подавляется инерционным АРУ приемника. Вследствие близости частот истинного и ложного сигналов рассогласования они не могут быть разделены также с помощью фильтров. 
Управляющее напряжение представляет собой напряжением постоянного тока, значение которого определяет величину угла, а знак — направление поворота антенны в данной плоскости. 
Из выраженийU1(t)=Ucosїt,U2(t)=Usinїt следует, что управляющее напряжение данного канала равно нулю, когда напряжение ошибки равно нулю или имеет максимальное значение в другом канале. 
Управляющее напряжение поступает на усилитель следящей системы канала и после усиления по мощности в виде напряжения U1 подается на стабилизирующий двигатель СД. Исполнительные двигатели каналов через редукторы управляют положением головки антенны одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В результате антенна при возникновении сигнала ошибки перемещается по азимуту и наклону до совмещения равносигнального направления с направлением на объект. Поскольку объект, например самолет, непрерывно перемещается, система следит, непрерывно поворачивая антенну на некоторый угол. 
Следящая система управления антенной в радиолокационной станции автоматического сопровождения по направлению — двухканальная связанная. Управление положением антенны производится раздельно по двум каналам. Система имеет общие для двух каналов сигнал ошибки и выход (положение антенны). 
Электроавтоматическая часть станций автоматического сопровождения по направлению — одна из наиболее сложных и совершенных. Кроме электроавтоматики, связанной непосредственно с управлением антенны по угловым координатам, станции такого типа имеют системы, обеспечивающие автоматическое регулирование частоты сканирования диаграммы направленности, автоматического сопровождения по дальности АСД и вычислительные устройства 
Естественные флуктуации амплитуды отраженного сигнала проявляются в СИН как эквивалентные флуктуации углового положения цели. Возникающие таким образом модуляционные погрешности снижают точность измерителя. Преднамеренная активная помеха, модулированная по амплитуде с частотой сканирования ї, может полностью нарушить работоспособность одноканального СИН. Существуют также другие специфические факторы, снижающие точность СИН с коническим сканированием. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, одноканальные СИН имеют достаточно широкое распространение. В частности, они применяются в пассивных радиолокационных головках самонаведения ракет. Для таких, безвозвратно теряемых при практическом использовании устройств простота аппаратуры и хорошие экономические показатели одноканальных СИН имеют первостепенное значение. Решению проблемы помехозащищенности в этом случае способствует скрытность работы пассивных бортовых РЛС. 
Рассмотрим временные диаграммы преобразования радиосигнала РЛС на примере, предложенном на рисунке ниже (Цель находится точно над точкой равносигнального состояния.) 
6. Фазовый детектор 
Фазовым детектором (ФД) называется устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух сравниваемых напряжений одной частоты или очень близких частот. 
ФД применяется в широком диапазоне частот от нескольких десятков Гц до десятков МГц. 
Особенности развития и примеры современных РЛС 
Некоторые особенности развития современных РЛС. В развитии систем радиолокации наблюдаются различные тенденции. С одной стороны, теория и практика радиолокации накопили достаточно большое количество эффективных алгоритмов. Поэтому некоторые категории аппаратуры в своем развитии проходят несколько поколений без существенного изменения принципа действия. Все усилия в таком развитии направлены на совершенствование конструкций и технологии, повышение надежности. 
Однако в большинстве своем системы радиолокации, особенно военного назначения, динамично развиваются. Одним из перспективных направлений такого развития за рубежом считают создание многофункциональных и многорежимных РЛС, в которых решаются многие, стоящие перед радиолокацией проблемы. В таких РЛС предусматриваются возможность адаптации к конкретной тактической  обстановке, выбор оптимального режима работы (вид зондирующего сигнала, способ сканирования луча антенны, способ обработки сигналов). 
Многофункциональные РЛС, по мнению специалистов, должны решать различные задачи: обзор пространства, обнаружение целей, слежение за траекториями, автоматизированный выбор целей, переход в режим слежения за координатами целей. Многофункциональные РЛС ЛА к тому же должны решать навигационные задачи: следование по рельефу местности, доплеровское измерение вектора скорости самолета. В таких РЛС применяются многие перспективные технические решения: электронное малоинерционное управление лучом антенны, когерентная обработка сигналов с использованием цифровой фильтрации на основе алгоритма БПФ, применение сложных зондирующих сигналов, синтезирование (доплеровское сужение) ДН антенны. Основу для построения многофункциональных РЛС составляют: а) ФАР — антенна, способная быстро и с высокой точностью изменять ДН, и б) высокопроизводительная и гибкая цифровая система обработки сигналов и управления, реализованная с помощью ЭВМ и специализированных цифровых процессоров. 
В современных РЛС первостепенное значение уделяется проблеме помехозащищенности. В слабо защищенных РЛС под воздействием создаваемых противной стороной помех резко ухудшаются основные технические параметры или теряется работоспособность вообще. Практически эффективные помехи удается создать, если известны основные параметры РЛС: несущая частота, структура зондирующего сигнала. Скрытность, способность РЛС к быстрому изменению параметров затрудняют постановку помех. 
Для обеспечения помехозащищенности в перспективных РЛС, наряду с традиционными способами защиты от помех, такими, как изменение рабочей волны, одновременная работа на нескольких несущих частотах  изменение структуры зондирующих сигналов, применение антенн с малым уровнем боковых лепестков, используются более сложные способы, требующие больших аппаратных затрат. В качестве примера укажем на режим «замораживания» радиолокационного изображения. В таком режиме передатчик РЛС изучает относительно короткие серии зондирующих сигналов с длительными паузами между ними. На время пауз производится запоминание («замораживание») радиолокационного изображения. Параметры сигналов в каждой серии изменяются. Тем самым повышается скрытность работы РЛС. Режим замораживания возможен благодаря применению ЭВМ для обработки сигналов. Информация при этом хранится в памяти ЭВМ. 
Кардинальное решение проблемы помехозащищенности, а также защиты от противорадиолокационных ракет зарубежные специалисты видят в двухпозиционных (многопозиционных) РЛС, у которых передающая часть размещается на одном носителе (самолете), а приемная часть — на другом. В такой системе скрытность и помехозащищенность приемной части обеспечивается 
благодаря отсутствию излучения. Защищенность носителя передающей части достигается путем его удаления от средств поражения. Однако при создании таких РЛС возникают трудно решаемые задачи согласования сканирования приемной и передающей антенн, фазовой синхронизации приемника и передатчика, обеспечения требуемых энергетических соотношений. 
Развитие техники радиопротиводействия и защиты: от помех носит состязательный характер. Поэтому приведенные выше сведения далеко не исчерпывают возможных способов обеспечения помехозащищенности РЛС. Однако ясно, что решение этой проблемы сопряжено с существенным усложнением схем и конструкций современных РЛС. 
 
 
 
 

Список литературы  
1. Современная радиолокация. Анализ, расчет и проектирование. Под редакцией Кобзарева Ю.В., М., Сов.радио, 1969г.-704стр.  
2. Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1978г. – 608стр.  
3. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1970г. – 560стр. 4. Перминов И.Г. «Физические основы получения информации». 2006 год.