Введение
Радиолокациейназывается совокупность методов и технических средств, предназначенных дляобнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат ипараметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн,излучаемых или переизлучаемых объектами.
Радиолокациякак научно-техническое направление в радиотехнике зародилась в 30-х годах.Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новыхсредств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками(дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.
Получениеинформации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой областипространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационноенаблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами; анаблюдаемые объекты — радиолокационными целями. Типичными целями являютсясамолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения и т. п.
Врадиолокации наиболее часто измеряются дальность между целью и РЛС, угловыекоординаты (азимут, угол места) и радиальная, относительно радиолокатора,составляющая скорости движения. (Азимут — это угол между направлением на цель исеверным направлением, измеренный в горизонтальной плоскости. Угол местаизмеряется между вектором наклонной дальности и его проекцией на горизонтальнуюплоскость.) В задачу радиолокационного наблюдения в некоторых случаях входиттакже идентификация (распознавание) целей.
Системырадиолокации практически всегда входит в состав более сложных суперсистем. Этисуперсистемы имеют важное военное и народнохозяйственное значение и находятразнообразное применение: для управления воздушным движением, в навигациисамолетов, кораблей, в геофизических и астрофизических исследованиях и др.
Системырадиолокации составляют информационную часть таких суперсистем и функционируютсовместно и во взаимной связи с другими подсистемами суперсистемы(радионавигации, радиоуправления, передачи информации).
1. Разведкарадиоэлектронных средств
Радиоразведка возникла во время первой мировой войны какразведка средств радиосвязи, а затем распространилась на радиолокацию,радиоуправление и другую радиоэлектронную технику, излучающую электромагнитныеволны. Разведывательная аппаратура должна определять направление на источникрадиоизлучения и параметры радиосигнала: несущую частоту и параметрымодулирующего сигнала. В состав разведывательной аппаратуры обязательно входят:приемник, анализатор сигналов и устройство индикации. В дальнейшем будемназывать эту аппаратуру разведывательным приемником.
Современные радиоэлектронные устройства работают в широкомдиапазоне волн: от длинных радиоволн до инфракрасного излучения. Невозможноразработать компактную аппаратуру, позволяющую проводить радиоразведку во всемдиапазоне волн, используемых радиоэлектронными средствами. Поэтомуразведывательный приемник разрабатывается для определенного диапазонарадиоволн. Например, разведывательные приемники, применявшиеся во время второймировой войны в авиации США, работали в следующих диапазонах радиоволн:
AN/ARQ-8 в диапазоне от 25 до 100 МГц,
AN/APR-4 в диапазоне от 40 до 3000 МГц,
AN/APR-5 в диапазоне от 1000 до 3100 МГц,
AN/APR-8 в диапазоне от 300 до 6000 МГц.
Что такое частота сигнала?
Для передачи любого радиосигнала требуется некоторая областьчастот. Например, для передачи синусоидального сигнала бесконечнойдлительности, имеющего частоту f0,требуется бесконечно малая полоса частот вблизи частоты f0. Если синусоидальный сигнал, частота которого равна f0, имеет конечную длительность t, то он занимает конечную полосучастот. Эта полоса примерно равна 1/t. Полосу частот, занимаемых сигналом, называют ширинойспектра Df, а центральную частоту спектранесущей частотойf0. Этими терминами мы дальше и будем пользоваться.
Применяемый в радиолокации импульсный радиосигнал имеет малуюдлительность. В РЛС метрового диапазона длительность импульса составляетнесколько микросекунд, а в станциях сантиметрового диапазона – десятые долимикросекунды. Примем длительность импульса t = 0,1 мкс, тогда ширина спектра Df= 1/t = 1/(0,1*10-6) = 10 МГц. Сравнив эту величину с диапазономчастот разведывательных приемников, приведенных для примера выше, отметимглавную особенность разведывательных приемников: диапазон частот, в которомнужно найти сигнал, на несколько порядков превышает ширину спектра сигнала.
Как можно произвести поиск сигнала?
На рисунке ниже показан спектр радиосигнала (f0– центральная частота, равная частоте синусоидальнойнесущей; Df – ширина спектра).
/>
Если взять полосу пропускания приемника равной диапазонучастот, в котором производится разведка (на рисунке – Широкополосный приемник),то сигнал в принципе обнаружить можно (если не учитывать что сигнал можетпотеряться в шумах приемника, так их мощность тем больше, чем шире полосапропускания приемника), но измерить его параметры, например, центральнуючастоту, нельзя.
Для измерения частоты необходим приемник, полоса пропусканиякоторого соизмерима с шириной спектра радиосигнала. В этом случае возможны дваварианта построения разведывательного приемника.
Первый вариант – многоканальный приемник. Он состоит из N идентичных приемников (каналов) сузкой полосой пропускания, настроенных каждый на свою частоту и перекрывающихвесь разведываемый диапазон. На рисунке выше для примера показаны частотныехарактеристики каждого из каналов 9-иканального приемника. Центральная частотасигнала определяется по номеру канала, на выходе которого появляется сигнал.Достоинство такого варианта построения разведывательного приемника –минимальное время обнаружения радиосигнала и определения его частоты.Недостаток – громоздкость устройства, так как реально число каналов должно бытьпорядка сотен или тысяч.
Второй вариант – перестраиваемый приемник. В данном случаеиспользуется один приемник с узкой полосой пропускания, настройка которогопериодически изменяется, и его частотная характеристика плавно перемещается от однойграницы диапазона до другой (На рисунке – от положения 1 до положения 9).Частота сигнала определяется по моменту времени, когда напряжение на выходеприемника будет максимальным. Схема поискового разведывательного приемникапроста, но время обнаружения сигнала велико.
Но из-за простоты в большинстве случаев отдается предпочтениеименно этому варианту.
Как строится разведывательный приемник?
Основная задача, которую приходится решать при построенииаппаратуры разведки, – это обеспечение быстрого обнаружения сигнала и измеренияего параметров (главным образом, центральной частоты и, возможно, шириныспектра). Ее решение связано с наиболее целесообразным разделением всегодиапазона частот на отдельные поддиапазоны. Рассмотрим кратко, с какимитрудностями приходится встречаться при решении этой задачи, ограничившисьтолько радиолокационной разведкой.
С учетом конкретных условий применения разведывательнойаппаратуры общий диапазон волн разведки может быть сокращен по тактическимсоображениям – в зависимости от того, для разведки каких источниковрадиоизлучений предназначена аппаратура. Например, если аппаратурапредназначена для разведки самолетных РЛС, то диапазон частот можно ограничитьмиллиметровыми и сантиметровыми волнами, так как на более длинных волнахпотребуются антенны больших размеров, что на борту самолета позволить нельзя.Если аппаратура предназначена для обнаружения работы станций дальнегообнаружения, очевидно, можно ограничиться дециметровыми и метровыми волнами, накоторых обычно работают эти станции.
После выбора диапазона его приходится делить на поддиапазоны.При этом стремятся получить наименьшее число поддиапазонов с целью сокращенияобъема аппаратуры. Обычно стараются сделать так, чтобы участки диапазонов, вкоторых работают наиболее широко применяемые радиолокационные станциипротивника, не попадали на границы поддиапазонов.
С уменьшением числа поддиапазонов каждый из них расширяется.Чем шире поддиапазон, тем, естественно, больше время перестройки (дляперестраиваемых приемников). Поэтому при разработке разведывательной аппаратурыприходится выбирать, исходя из ее тактического применения, наиболее приемлемыекомпромиссные решения.
2. Одночастотныекогерентно — импульсные РЛС
Прикогерентных методах непрерывного излучения в качестве опорного сигнала можноиспользовать сигнал генератора высокой частоты. В когерентно — импульсномметоде такой возможности нет, ибо генератор радиочастоты работает в импульсномрежиме. Таким образом, в паузе между зондирующими импульсами необходим дополнительныйисточник опорного сигнала. Для этого обычно применяется когерентный генераторили гетеродин, работающий в режиме фазовой синхронизации с генераторомрадиочастоты.
/>Структурная схемакогерентно-импульсной РЛС показана на рис. 1. На выходе детектора (Д)образуются биения отраженного и опорного сигналов когерентного гетеродина(КГ). Однако сигнал U2 имеет импульсныйхарактер, поэтому даже при непрерывном опорном сигнале когерентного гетеродинабиения возникают лишь во время существования отраженного сигнала.
Рис. 1. Структурная схема когерентно-импульсной РЛС
Рассматривая только выходное напряжение детектора,которое после фильтрации является чисто импульсным, можно получить следующиезависимости [1] для сигналов движущейся и неподвижной целей:
/>(1.1)
(1.2)
/>где
сигналнеподвижной цели; Umдц — амплитудасигнала движущейся цели; М = Umдц/Um2 нц — коэффициентмодуляции сигнала биений.
/>Формулы (1.1) и (1.2)дают последовательности модулированных поамплитуде видеоимпульсов, спектральный состав которых показан на рис. 2.
Рис. 2. Спектральный состав видеоимпульсов на выходе детектора
Сравниваяимпульсы движущихся и неподвижных целей, можно сделать заключение, чтоосновным отличием временных функций, соответствующих этим последовательностям,будет наличие переменной составляющей в сигнале движущейся цели. Переходя кспектральным представлениям, можно утверждать, что спектр немодулированныхвидеоимпульсов, соответствующих функции времени f1(t), будетсостоять лишь из гармоник частоты повторения (рис. 2, а). Спектрзнакопеременной последовательности модулированных видеоимпульсов, соответствующихфункции времени f2(t), будетсостоять из гармоник nFп ± Fм (рис. 2 б).Наконец, спектр последовательности видеоимпульсов, соответствующих функциивремени fS(t)=f1(t)+f2(t), будетсостоять из гармоник nFп и nFп ± Fм (рис. 2 в).
Следовательно,для селекции движущихся целей необходимо компенсировать на выходе элементасравнения импульсные последовательности с постоянной амплитудой или подавлятьв спектре сигнала после элемента сравнения все гармоники частоты повторения nFп.
Однакопри построении устройств селекции движущихся целей в когерентно-импульсных РЛСследует учитывать наличие так называемого стробоскопического эффекта.
Запишемвыражение (1.2) с учетом фильтрации постоянной составляющей:
/>
Очевидно,что это выражение будет однозначной функцией п только в пределаходнозначности функции косинуса его аргумента. Поэтому можно считать, что дляоднозначной связи Umб и n необходимо,чтобы
/>
Этосоотношение должно выполняться для любого п. Поэтому, полагая п =2, получаем пределы однозначного соответствия частоты биений импульснойпоследовательности частоте Доплера
/>
Приувеличении fд > Fп/2 за счетпериодичности косинуса получаем периодическое повторение указанного соответствия.
Нарис. 3 показана зависимость частоты биений от частоты Доплера. Видно, что вслучае, когда частота Доплера кратна частоте повторения, последовательность импульсовоказывается немодулированной, так как fб=0.
/>
Рис. 3. Зависимостьчастоты биений от частоты Доплера
С учетом этого ивыражение для значения частоты Доплера получаем
/>
Таким образом, модуляцияимпульсов движущейся цели отсутствует, а следовательно, сигналы движущейся инеподвижной целей при радиальных скоростях, удовлетворяющих условию (1.3), неразличаются. Эти скорости называются «слепыми». Цель, двигающаяся с одной из«слепых» скоростей, за период повторения приближается или удаляется отрадиолокатора на расстояние, кратное целому числу половины длины волнынесущего колебания радиолокатора. При этом разность фаз прямого и отраженногосигналов за период повторения будет изменяться на величину, кратную 2p.
Способпостроения когерентно-импульсных систем селекции выбирается в зависимости отсоотношения параметров импульсной модуляции. Обычно различаюткогерентно-импульсные РЛС, работающие в режимах малой и высокой скважности.Естественно, граница разделения весьма условна и соответствует значениюскважности Q = 10. При Q 10 имеем режим малойскважности, а при Q > 10 — большой скважности [1].
Основнымпреимуществом когерентно-импульсной РЛС, работающей в режиме высокойскважности, является высокая разрешающая способность по дальности.
Различаютистинно когерентные и псевдокогерентные РЛС, которые часто называют такжекогерентными РЛС селекции движущихся целей. Различие этих систем заключается вспособе построения передающего
/>
Рис. 4. Структурная схемыистинно когерентной РЛС высокой скважности
устройства и способе полученияопорного когерентного напряжения, что приводит к различному интервалукогерентности сигналов РЛС.
Нарис. 4 приведен пример схемы истинно когерентной РЛС высокой скважности.Передатчик построен по многокаскадному принципу. Стабильные колебаниязадающего генератора промежуточной частоты (ГПЧ) умножаются по частоте иусиливаются в усилителе мощности (УМ). Одновременно в этом же каскадепроисходит импульсная модуляция сигнала с высокой скважностью и частотойповторения, зависящей от модулятора (М). С помощью второго умножителя частоты(УМЧ), на который подаются колебания задающего генератора промежуточнойчастоты, формируется гетеродинный сигнал, используемый для преобразованиячастоты принимаемых сигналов в смесителе приемника. Усиленные в УПЧ сигналысравниваются с опорным колебанием генератора промежуточной частоты на фазовомдетекторе (ФД).
/>
Рис. 5. Спектры сигналов на входе, выходе РГФ и его АЧХ
Сигналбиений в виде модулированной или немодулированной последовательностивидеоимпульса подается на режекторный гребенчатый фильтр (РГФ), которыйселектирует сигналы движущихся целей и подавляет все составляющие частотыповторения. После усиления сигналы движущихся целей подаются на индикатор кругового обзора (ИКО), где и происходит их обнаружение. На рис. 5 показаныспектры сигналов на входе и выходе РГФ, а также амплитудно-частотнаяхарактеристика этого фильтра.
Нарис. 6 приведен пример схемы псевдокогерентной РЛС, работающей в режиме высокойскважности. При таком построении используются однокаскадные передатчики.Генератор радиочастоты (ГРЧ) работает в режиме самовозбуждения при модуляцииимпульсами высокой скважности. Опорный когерентный сигнал формируется КГ,который синхронизируется по фазе импульсами генератора радиочастоты,предварительно преобразованными на промежуточную частоту, так как когерентныйгетеродин работает на промежуточной частоте. Принятые сигналы сравниваются сопорным также на промежуточной частоте в фазовом детекторе (ФД).
/>
Рис. 6. Схема псевдокогерентной РЛС высокой скважности
импульс детектор радиоэлектронный
Особенностьюпсевдокогерентных РЛС является малый интервал когерентности сигнала, равныйодному периоду повторения. Это объясняется тем, что колебания генераторарадиочастоты имеют случайную начальную фазу от импульса к импульсу или отпериода к периоду повторения Следовательно, спектр таких импульсов являетсясплошным. Поэтому фазовая синхронизация осуществляется импульсом ГРЧ в началекаждого периода повторения и когерентность колебаний ГРЧ и опорного сигнала КГсохраняется лишь на этот период повторения. То же повторяется и в каждомследующем периоде. В двух соседних периодах или в двух любых периодахповторения когерентность колебаний отсутствует, поэтому РЛС и называется псевдокогерентной.
Заключение
Радиолокация представляетсобой средство расширения возможностей человека определять наличие и положениеобъектов за счет использования явлений отражения радиоволн этими объектами. Ееближайшим конкурентом при выполнении этих функций является оптическая техника,включающая телескопы, которые обладают высокой точностью и обычно имеютфотографические регистрирующие устройства. Преимущество радиолокационныхсредств по сравнению с оптическими состоит в том, что радиолокационныеустройства могут работать в темноте и сквозь облака, обладают большойдальностью действия и позволяют определять дальность до объекта со значительнобольшей точностью, нежели оптические устройства. Хотя световые волны такжеявляются электромагнитными, но в радиолокации частота их намного ниже. Этопозволяет применять радиотехнические методы и схемы.
Развитиерадиолокации явилось важной частью технической революции двадцатого века.Военная техника, использующая принципы радиолокации, впервые была создана передсамым началом второй мировой войны; с этого времени наблюдается быстрый инепрерывный прогресс в указанной области.
Списоклитературы
1) Перминов И.Г. «Физическиеосновы получения информации». 2006 год.
2) Артамонов В.М.«Электроавтоматика судовых и самолетных радиолокационных станций». 1962 год.
3) Современная радиолокация. Анализ,расчет и проектирование. Под редакцией Кобзарева Ю.В., М., Сов.радио,1969г.-704стр.
4) Дулевич В.Е. Теоретические основырадиолокации. М., Сов.радио, 1978г. – 608стр.
5) Ширман Я.Д. Теоретические основырадиолокации. М., Сов.радио, 1970г. – 560стр.