Радары непрерывного излучения монохромного сигнала являются наиболее простыми и дешевыми средствами. Но при их эксплуатации и разработке встречается целый ряд трудностей. Достоинства, недостатки радаров этого класса и проблемы рассмотрены в настоящей лекции.
Достоинства (простота и дешевизна) очевидны.
На рисунке проиллюстрирована работа радара непрерывного излучения монохромного сигнала. С генератора СВЧ передвтчиказондирующий сигнал частотой fз через циркулятор направляется в антенну. Отраженный сигнал через циркулятор попадает на смеситель. Туда же, через ответвитель , поступает часть напряжения СВЧ передатчика. Отраженный сигнал имеет ту же частоту, что и зондирующий. Но его частота смещена надопплеровское приращение Fд. fо = fз+-Fд. Разумеется пассивные помехи от местности не имеют допплеровских частот.
На смесителе стахостические отраженные сигналы и напряжение гетеродина перемножаются. А так как напряжение гетеродина постоянно, происходит линейное преобразование сигналов на нулевую помежуточную частоту fпч = fз+-Fд - fз =Fд. При этом спектр помех от местности ложится на нуль оси частот, а спектр движущихся целей сдвигается относительно нуля надопплеровскую частоту.
Для РЛС сантиметрового диапазона волн величина частоты Fд и ширина спектров лежит в области звуковых частот от 0 до 5 кГц. Поэтому последующая фильтрация осуществляется дешевыми фильтрами звуковых частот. Так подавление местности несложно произвести с помощью звукового фильтра верхних частот. Для снижения уровня шумов можно применить фильтр нижних частот, частотный «срез» которого согласован с допплеровской частотой цели, движущейся на максимальной скорости.
Радары непрерывного излучения монохромного сигнала имеют два существенных недостатка.
1. С помощью одного радара нельзя измерить дальность до цели.
2. Так как передатчик продолжает работать в процессе приема отраженного сигнала, шумы передатчика попадают на вход приемника.
Происходит «накачка» шума. «Накаченные» шумы складываются с собственными шумами приемника и могут на 1-3 порядка снизить чувствительность.
На малых мощностях передатчика (до 10-50 мвт) шумы «накачки» могут быть ниже или быть сравнимыми с шумами приемника. При таких мощностях дальность действия РЛС обычно может составлять 3-6 км. Если нужна дальность действия 20 км и более, мощность передатчика нужно резко увеличить. Но в этом случае, резко увеличатся шумы «накачки» и дальность действия практически не увеличится!
Для увеличения дальности действия необходимо применять мало шумящие генераторы СВЧ и предусматривать специальные меры компенсации шумов «накачки» (циркуляторы, балансные смесители и др.)
Первичный радиолокатор
Где:
r: дальность радиолокационной цели
ke: 4/3
ae: Радиус Земли
θe: угол места над горизонтом РЛС
ha: высота рупора над Землей
Первичный (с пассивным ответом) радиолокатор, в основном, служит для обнаружения целей, облучая их электромагнитной волной и затем принимая отражения (эхо) от цели. Поскольку скорость электромагнитных волн постоянна (скорость света), становится возможным определить расстояние до цели, основываясь на измерении различных параметров при распространении сигнала.
В основе устройства радиолокационной станции лежат три компонента: передатчик, антенна и приемник.
Передатчик (передающее устройство) является источником электромагнитного сигнала. Он может представлять собой мощный импульсный генератор. Для импульсных РЛС сантиметрового диапазона — обычно магнетрон или импульсный генератор, работающий по схеме: задающий генератор — мощный усилитель, использующий в качестве генератора чаще всего лампу бегущей волны (ЛБВ), а для РЛС метрового диапазона часто используют триодную лампу. РЛС, которые используют магнетроны, некогерентны или псевдо-когерентны, в отличие от РЛС на основе ЛБВ. В зависимости от способа измерения дальности, передатчик работает либо в импульсном режиме, формируя повторяющиеся короткие мощные электромагнитные импульсы, либо излучает непрерывный электромагнитный сигнал.
Антенна выполняет излучение сигнала передатчика в заданном направлении и прием отраженного от цели сигнала. В зависимости от реализации прием отраженного сигнала может осуществляться либо той же самой антенной, либо другой, которая иногда может располагаться на значительном расстоянии от передающей. В случае, если передача и прием совмещены в одной антенне, эти два действия выполняются поочередно, а чтобы мощный сигнал передатчика не просачивался в приемник, перед приемником размещают специальное устройство, закрывающее вход приемника в момент излучения зондирующего сигнала.
Приемник (приемное устройство) выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подается на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны.
Различные РЛС основаны на различных методах измерения параметров отраженного сигнала.
Частотный метод
Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В классической реализации данного метода (ЛЧМ) за полупериод частота меняется по линейному закону от f1 до f2. Из-за запаздывания при распространении сигнала разница частот излучаемого и принимаемого сигналов прямо пропорциональна времени распространения. Измеряя ее и зная параметры излучаемого сигнала, можно определить дальность до цели.
Достоинства:
- позволяет измерять очень малые дальности;
- используется маломощный передатчик.
Недостатки:
- необходимо использование двух антенн;
- ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания через антенну в приемный тракт излучения передатчика, подверженного случайным изменениям;
- высокие требования к линейности изменения частоты.
Фазовый метод
Фазовый (когерентный) метод радиолокации основан на выделении и анализе разности фаз отправленного и отраженного сигналов, которая возникает из-за эффекта Доплера, когда сигнал отражается от движущегося объекта. При этом передающее устройство может работать как непрерывно, так и в импульсном режиме. В одночастотном режиме излучения основным преимуществом данного метода является то, что он «позволяет наблюдать только движущиеся объекты, а это исключает помехи от неподвижных предметов, расположенных между приемной аппаратурой и целью или за ней»[17].
Однозначный диапазон измерения дальности при одночастотном зондировании определяется выражением:
где 
— скорость света;
— частота излучения.
Чтобы расширить диапазон однозначного измерения дальности, на практике используют более сложные схемы, в которых присутствуют две и больше частот. В этом случае однозначная дальность определяется максимальным частотным разнесением 
излучаемых сигналов:
Достоинства:
- маломощное излучение, так как генерируются незатухающие колебания;
- точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения;
- достаточно простое устройство.
Недостатки:
- отсутствие разрешения по дальности (устраняется за счет использования многочастотных сигналов[18]);
- ухудшение чувствительности приемника вследствие проникновения через антенну в приемный тракт излучения передатчика, подверженного случайным изменениям.
Импульсный метод
|
|
|
|
|
|
Современные радары сопровождения обычно построены как импульсные радиолокаторы. Импульсный радар передает излучающий сигнал только в течение очень краткого времени, коротким импульсом (длительность порядка микросекунд), после чего переходит в режим приема и слушает эхо, отраженное от цели, в то время как излученный импульс распространяется в пространстве.
Поскольку импульс уходит далеко от радара с постоянной скоростью, между временем, прошедшим с момента посылки импульса до момента получения эхо-ответа, и расстоянием до цели — прямая зависимость. Следующий импульс имеет смысл послать только через некоторое время, а именно после того, как предыдущий импульс придет обратно (это зависит от дальности обнаружения радара, мощности передатчика, усиления антенны, чувствительности приемника). Если импульс посылать раньше, то эхо от предыдущего импульса от отдаленной цели может быть ошибочно принято как эхо от второго импульса от близкой цели.
Промежуток времени между импульсами называют периодом повторения импульса (англ. Pulse Repetition Interval, PRI), обратная к нему величина — важный параметр, который называют частотой повторения импульса (ЧПИ, англ. Pulse Repetition Frequency, PRF). Радары низкой частоты дальнего обзора обычно имеют интервал повторения в несколько сотен импульсов в секунду. Частота повторения импульсов является одним из отличительных признаков, по которым возможно дистанционное определение модели РЛС.
Достоинства импульсного метода измерения дальности:
- возможность построения РЛС с одной антенной;
- простота индикаторного устройства;
- удобство измерения дальности нескольких целей.
Недостатки:
- необходимость использования больших импульсных мощностей передатчика;
- невозможность измерения малых дальностей до цели из-за мертвой зоны.
Устранение пассивных помех
|
|
|
Одной из основных проблем импульсных РЛС является подавление сигналов, отражающихся от неподвижных объектов: земной поверхности, высоких холмов, гребней волн и т. п. Если, к примеру, цель находится на фоне высокого холма, отраженный сигнал от этого холма полностью перекроет сигнал от цели. Для наземных РЛС эта проблема проявляется при работе с низколетящими объектами. Для бортовых импульсных РЛС она выражается в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолета с радиолокатором.
Методы устранения помех используют, так или иначе, эффект Доплера (частота волны, отраженной от приближающегося объекта, увеличивается, от уходящего объекта — уменьшается).
Самый простой радар, который может обнаружить цель в помехах — радар с селекцией движущихся целей (СДЦ) — импульсный радар, который сравнивает отражения более чем от двух или больше интервалов повторения импульса. Любая цель, которая движется относительно радара, производит изменение в параметре сигнала (стадия в последовательном СДЦ), тогда как помехи от неподвижных объектов остаются неизменными. Устранение помех происходит путем вычитания отраженного сигнала, полученного на двух последовательных интервалах. На практике устранение помех может быть осуществлено в специальных устройствах — череспериодных компенсаторах или программной обработкой цифровой системой.
Неустранимым недостатком СДЦ, работающих с постоянной ЧПИ, является невозможность обнаружения целей со специфическими круговыми скоростями (целей, которые производят изменения фаз точно в 360 градусов). Скорость, при которой цель становится невидимой для радиолокатора, зависит от рабочей частоты станции и от ЧПИ. Для устранения недостатка современные СДЦ излучают несколько импульсов с различными ЧПИ. ЧПИ подбираются такими образом, чтобы число «невидимых» скоростей было минимальным.
Импульсно-доплеровские РЛС, в отличие от РЛС с СДЦ, используют другой, более сложный способ избавления от помех. Принятый сигнал, содержащий информацию о целях и помехах, передается на вход блока фильтров Доплера. Каждый из фильтров пропускает сигнал определенной частоты. На выходе из фильтров вычисляются производные от сигналов. Способ помогает находить цели с заданными скоростями, может быть реализован аппаратно или программно, не позволяет (без модификаций) определить расстояния до целей. Для определения расстояний до целей можно разделить интервал повторения импульса на отрезки (называемые отрезками дальности) и подавать сигнал на вход блока фильтров Доплера в течение данного отрезка дальности. Вычислить расстояние удается только при многократных повторениях импульсов на разных частотах (цель появляется на различных отрезках дальности при разных ЧПИ).
Важное свойство импульсно-доплеровских РЛС — когерентность сигнала, фазовая зависимость отправленных и полученных (отраженных) сигналов.
Импульсно-доплеровские РЛС, в отличие от РЛС с СДЦ, успешнее обнаруживают низколетящие цели. На современных истребителях эти РЛС используются для воздушного перехвата и управления огнем (радары AN/APG-63, 65, 66, 67 и 70). Современные реализации в основном программные: сигнал оцифровывается и отдается на обработку отдельному процессору. Часто цифровой сигнал преобразуется в форму, удобную для других алгоритмов, с помощью быстрого преобразования Фурье. Использование программной реализации по сравнению с аппаратной имеет ряд преимуществ:
- возможность выбора оптимального алгоритма обработки сигнала из нескольких доступных;
- возможность изменения численных параметров алгоритмов;
- возможность добавления/изменения алгоритмов (путем смены прошивки).
Перечисленные достоинства наряду с возможностью хранения данных в ПЗУ) позволяют, в случае необходимости, быстро приспособиться к технике глушения противника.
Устранение активных помех
Наиболее эффективным методом борьбы с активными помехами является использование в РЛС цифровой антенной решетки, позволяющей формировать провалы в диаграмме направленности в направлениях на постановщики помех
Вторичный радиолокатор
|
|
|
Вторичная радиолокация используется в авиации для опознавания. Основная особенность — использование активного ответчика на самолетах.
Принцип действия вторичного радиолокатора несколько отличается от принципа первичного радиолокатора. В основе устройства Вторичной радиолокационной станции лежат компоненты: передатчик, антенна, генераторы азимутальных меток, приемник, сигнальный процессор, индикатор и самолетный ответчик с антенной.
Передатчик служит для формирования импульсов запроса в антенне на частоте 1030 МГц.
|
|
|
|
Антенна служит для излучения импульсов запроса и приема отраженного сигнала. По стандартам ICAO для вторичной радиолокации антенна излучает на частоте 1030 МГц и принимает на частоте 1090 МГц.
Генераторы азимутальных меток служат для генерации азимутальных меток (англ. Azimuth Change Pulse, ACP) и метки Севера (англ. Azimuth Reference Pulse, ARP). За один оборот антенны РЛС генерируется 4096 масштабных азимутальных меток (для старых систем) или 16 384 улучшенных масштабных азимутальных метки (англ. Improved Azimuth Change pulse, IACP — для новых систем), а также одна метка Севера. Метка севера приходит с генератора азимутальных меток при таком положении антенны, когда она направлена на Север, а масштабные азимутальные метки служат для отсчета угла разворота антенны.
Приемник служит для приема импульсов на частоте 1090 МГц.
Сигнальный процессор служит для обработки принятых сигналов.
Индикатор служит для отображения обработанной информации.
Самолетный ответчик с антенной служит для передачи содержащего дополнительную информацию импульсного радиосигнала обратно в сторону РЛС по запросу.
Принцип действия вторичного радиолокатора заключается в использовании энергии самолетного ответчика для определения положения воздушного судна. РЛС облучает окружающее пространство запросными импульсами P1 и P3, а также импульсом подавления P2 на частоте 1030 МГц. Оборудованные ответчиками воздушные суда, находящиеся в зоне действия луча запроса, при получении запросных импульсов, если действует условие P1,P3>P2, отвечают запросившей РЛС серией кодированных импульсов на частоте 1090 МГц, в которых содержится дополнительная информация о номере борта, высоте и так далее. Ответ самолетного ответчика зависит от режима запроса РЛС, а режим запроса определяется интервалом времени между запросными импульсами P1 и P3, например, в режиме запроса А (mode A) интервал времени между запросными импульсами станции P1 и P3 равен 8 микросекундам и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свой номер борта.
В режиме запроса C (mode C) интервал времени между запросными импульсами станции равен 21 микросекунде и при получении такого запроса ответчик воздушного судна кодирует в импульсах ответа свою высоту. Также РЛС может посылать запрос в смешанном режиме, например, Режим А, Режим С, Режим А, Режим С. Азимут воздушного судна определяется углом поворота антенны, который, в свою очередь, определяется путем подсчета масштабных азимутальных меток.
Дальность определяется по задержке пришедшего ответа. Если воздушное судно находится в зоне действия боковых лепестков, а не основного луча, или находится сзади антенны, то ответчик воздушного судна при получении запроса от РЛС получит на своем входе условие, что импульсы P1,P3
Принятый от ответчика сигнал обрабатывается приемником РЛС, затем поступает на сигнальный процессор, который проводит обработку сигналов и выдачу информации конечному потребителю и (или) на контрольный индикатор.
Плюсы вторичной РЛС:
- более высокая точность;
- дополнительная информация о воздушном судне (номер борта, высота);
- малая по сравнению с первичными РЛС мощность излучения;
- большая дальность обнаружения.
Диапазоны РЛС
| Обозначение IEEE / ITU |
Этимология | Частоты | Длина волны | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| HF | англ. high frequency | 3—30 МГц | 10—100 м | Радары береговой охраны, «загоризонтные» РЛС |
| P | англ. previous | < 300 МГц | > 1 м | Использовался в первых радарах |
| VHF | англ. very high frequency | 50—330 МГц | 0,9—6 м | Обнаружение на больших дальностях, исследования Земли |
| UHF | англ. ultra high frequency | 300—1000 МГц | 0,3—1 м | Обнаружение на больших дальностях (например, артиллерийского обстрела), исследования лесов, поверхности Земли |
| L | англ. Long | 1—2 ГГц | 15—30 см | наблюдение и контроль над воздушным движением |
| S | англ. Short | 2—4 ГГц | 7,5—15 см | управление воздушным движением, метеорология, морские радары |
| C | англ. Compromise | 4—8 ГГц | 3,75—7,5 см | метеорология, спутниковое вещание, промежуточный диапазон между X и S |
| X | 8—12 ГГц | 2,5—3,75 см | управление оружием, наведение ракет, морские радары, погода, картографирование среднего разрешения; в США диапазон 10,525 ГГц ± 25 МГц используется в РЛС аэропортов | |
| Ku | англ. under K | 12—18 ГГц | 1,67—2,5 см | картографирование высокого разрешения, спутниковая альтиметрия |
| K | нем. kurz — «короткий» | 18—27 ГГц | 1,11—1,67 см | использование ограничено из-за сильного поглощения водяным паром, поэтому используются диапазоны Ku и Ka. Диапазон K используется для обнаружения облаков, в полицейских дорожных радарах (24,150 ± 0,100 ГГц). |
| Ka | англ. above K | 27—40 ГГц | 0,75—1,11 см | Картографирование, управление воздушным движением на коротких дистанциях, специальные радары, управляющие дорожными фотокамерами (34,300 ± 0,100 ГГц) |
| mm | 40—300 ГГц | 1—7,5 мм | миллиметровые волны, делятся на два следующих диапазона | |
| V | 40—75 ГГц | 4,0—7,5 мм | медицинские аппараты КВЧ, применяемые для физиотерапии | |
| W | 75—110 ГГц | 2,7—4,0 мм | сенсоры в экспериментальных автоматических транспортных средствах, высокоточные исследования погодных явлений |
Обозначения диапазонов частот, принятые в ВС США и НАТО с 1982 г.
| Обозначение | Частоты, МГц | Длина волны, см | Примеры |
|---|---|---|---|
| A | < 100—250 | 120 — >300 | Радары раннего обнаружения и управления воздушным движением, напр. РЛС 1Л13 «НЕБО-СВ» |
| B | 250 — 500 | 60 — 120 | |
| C | 500 −1 000 | 30 — 60 | |
| D | 1 000 — 2 000 | 15 — 30 | |
| E | 2 000 — 3 000 | 10 — 15 | |
| F | 3 000 — 4 000 | 7.5 — 10 | |
| G | 4 000 — 6 000 | 5 — 7.5 | |
| H | 6 000 — 8 000 | 3.75 — 5.00 | |
| I | 8 000 — 10 000 | 3.00 — 3.75 | Бортовые многофункциональные РЛС (БРЛС) |
| J | 10 000 — 20 000 | 1.50 — 3.00 | РЛС наведения и подсвета цели (РПН), напр. 30Н6, 9С32 |
| K | 20 000 — 40 000 | 0.75 — 1.50 | |
| L | 40 000 — 60 000 | 0.50 — 0.75 | |
| M | 60 000—100 000 | 0.30 — 0.50 |
Комментарии
Оставить комментарий
Радиотехнические системы
Термины: Радиотехнические системы