Хомяков Толкалин 12_end_3

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

встречных автомобилей. Радар способен контролировать скорость, как отдельных автомобилей, так и движущихся в потоке на расстоянии 300—500 м. Диапазон скоростей 20–250 км/час. Погрешность измере-

ния ±2 км/час.

«Искра-1»

Рис. 3. Радар «Искра-1»

Работает в K-диапазоне (24,150 - 24,250 ГГц). Излучает пачки зондирующих гармонических сигналов непрерывного излучения по 02 с. Благодаря этому, затрудняется его регистрация радар - детекторами. С помощью этого измерителя можно определять скорость как встречных,

так и удаляющихся машин. Кроме того, «Искра» может держать в памяти скорости двух автомобилей. Дальность действия: 300 метров (для моделей "1"), 500-800 метров (для моделей "1В" и 1Д"). Диапазон измерения скорости: от 30 до 180 км/ч (в стационарном режиме - до 220 км/ч). Точность измерения скорости: - 2 км/ч.

«Визир»

Во время определения скорости радар Взир» осуществляет фото- и видеозапись автомобиля нарушителя. В снимок сделанный «Визиром» вносятся результаты измерений скорости, а так же контрольные дата и время.

11

Введение

Прибор производит измерения во всех направлениях и способен работать как стационарно, так и в патрульной машине. Радар оснащен встроенным ЖК-дисплеем и простым меню с удобным расположением управляющих клавиш. В приборе есть функция автоматического измерения скорости и записи нарушения ПДД. «Визир» можно подключать к внешнему монитору и передавать данные на компьютер.

Рис. 4. Полицейский радар «Визир»

Радары военного применения

Станции автоматического сопровождения и подсвета цели «ХОК»

Непрерывное излучение используется не только в портативных станциях. В прошлом столетии в США был разработан эффективный комплекс противовоздушной обороны (ПВО) HAWK (расшифровывает-

ся как Homing All the Way Killer – перехватчик, управляемый на всей тра-

ектории полёта"). Коротко – «ХОК». Предназначен для поиска, сопровождения самолетов и выдачи координат на ракеты пусковых установок. В комплексе использована РЛС AN/MPQ-48 непрерывного излу-

12

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

чения (рис. 5). Инженеры США столкнулись с эффектом накачки шумов от передающего канала. Требовалась повышенная дальность действия до 40 км и выше. Для снижения их влияния по боковым лепест-

кам антенны пришлось применить две антенны: одна на передачу, другая – на прием. Больше того, на ЭВМ был рассчитан и реализован профиль зеркал антенн и кольцевая защита, что снизило уровень боковых лепестков до минимальных значений.

Рис. 5. РЛС системы ПВО «ХОК» (США)

РЛС «ХОК» не только искала самолеты, но и брала их на автомати-

ческое сопровождение и осуществляла «подсвет» цели. При этом летящий самолет постоянно облучался, и от него исходило вторичное излучение. Головка самонаведения ракеты захватывала это излучение и летела на самолет до его поражения. Кроме того, бортовые антенны ракеты получали прямой опорный сигнал от РЛС для осуществления коге-

рентной обработки сигналов, отраженных от самолета. А узкополосный зондирующий сигнал непрерывного излучения позволял осуществлять узкополосную фильтрацию бортовыми системами обработки сигнала ракеты. Достигалась высокая степень помехозащищенности канала са-

13

Введение

монаведения ракеты. Две антенны выполняли и другую роль: позволяли измерять дальность до цели.

«Иджис»

Американская система противоракетной обороны (ПРО) «Иджис» (рис. 7), размещаемая на эсминцах типа эсминцев типа «Арли Бёрк», построена подобно системе «ХОК». РЛС AN/SPG-62 (рис. 6) поиска, сопровождения и подсвета целей осуществляет захват баллистической цели и подсвечивает ее для головки самонаведения ракеты «Стандарт»

SM-2. Модернизированные комплексы с ФАР способны сопровождать несколько целей и наводить новейшие ракеты SM-3.

Рис. 6. Антенный пост РЛС AN/SPG-62

«КУБ»

Режимы непрерывного излучения для поиска, захвата, сопровождения и подсвета целей применяются и в ряде российских системах ПВО и ПРО. На рис. 7 показан первый российский комплекс такого типа из семейства систем «Куб – Бук».

14

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

Следует заметить, что в тех мобильных и стационарных комплексах, где позволяют габариты и масса все чаще используются многорежимные РЛС с несколькими типами зондирующих сигналов. Такие станции решают самые разные задачи.

Рассмотренные РЛС показывают, что непрерывный зондирующий сигнал применяется достаточно широко. Из этого следует, что РЛС непрерывного излучения, как и их зондирующие сигналы достойны подробного рассмотрения.

Рис. 7. Комплекс «Куб»

Целью настоящего учебного пособия является изучение возможностей непрерывного гармонического сигнала. Его возможностей, достоинств и недостатков.

Общее характеристики РЛС

Качество РЛС оценивается по ряду ее тактико-технических (ТТХ) и экономических характеристик. Среди основных из них могут быть:

–дальность действия;

–точность измерения координат;

–разрешающая способность по дальности, направлению и скорости (частоте);

15

Введение

–производительность по числу обнаруженных или одновременно сопровождаемых целей;

–стоимость.

Как зависят, описанные выше ТТХ от физических характеристик рассматриваемых сигналов, будет показано ниже. Пока же остановимся на основных понятиях. Кроме того, в пояснения включим некоторые предварительные мнения специалистов о РЛС и сигналах, полученные по итогам эксплуатации станций с непрерывными гармоническими сигналами.

Дальность действия радара R зависит от многих факторов. В их числе от мощности передатчика рп, коэффициента усиления антенны Ga, длины волны λ, физического размера цели (или эффективной по-

верхностью рассеяния – ЭПР sц). Отраженный сигнал принимается на фоне тепловых электрических шумов радиоприемного тракта. Поэтому важным фактором является степень превышения полезного сигнала над шумами и логикой принятия решения о наличии или отсутствии полезного сигнала в шумах. В принципе дальность действия – вероятностная характеристика.

Точность измерения угловых координат зависит от ширины диа-

граммы направленности антенны (ДНА) Qa и превышения полезного сигнала над электрическими шумами приемного канала (так называемым отношением сигнал/шум Oсш). Очевидно, чем уже ДНА и чем выше Осш, тем точнее можно измерить направление на цель относительно географического Севера. Ошибки измерения классифицируются как случайные σα и систематические ∆α.

Точность измерения дальности. Один одноантенный радар непре-

рывного излучения гармонического сигнала не может измерять дально-

сти до цели. Два одинаковых радара, или две антенны одной РЛС, расположенных на известном расстоянии (базе b) могут. Для этого изме-

16

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

ряются два направления на цель по каждой антенне относительно географического Севера. И здесь с учетом того, что процедуры измерения отраженного сигнала на фоне шумов приемника носит статистический характер, ошибки (погрешности) разделяют на случайные σr и систематические ∆rс. При автоматическом сопровождении целей могут возни-

кать и динамические ∆rд.

Понятие разрешающей способности базируется на следующем фи-

зическом явлении. Если две цели располагаются рядом и перемещаются совместно, то может быть такая ситуация, когда вместо двух отдельных сигналов от каждой, будет получен один общий сигнал. Оператор радара ошибочно воспримет этот сигнал, как от одной цели, и ошибочно доложит, что обнаружил одну цель. Тогда говорят, что цели не разрешаются. Но достаточно целям разойтись на определенное расстояние, как из одного сигнала появятся два. Оператор сделает правильный вы-

вод. Эта ситуация называется моментом разрешения, а численное значение расстояния между целями – разрешающей способностью РЛС.

Разрешающая способность по дальность измеряется в метрах, а по направлению в градусах или других угловых единицах. Разрешающая способность по направлению и дальности зависит от тех же параметров антенны, отношения Осш и базы b между радарами или антеннами одной двухантенной РЛС.

Разрешающая способность по скорости часто дает возможность определить, сколько целей находится в совокупном сигнале от не разрешаемых по дальности и направлению объектов.

Производительность РЛС в первую очередь определяется типом антенны. Так, зеркальная антенна с электромеханическим приводом не может быстро перемещать луч в пространстве. Отсюда на поиск каждой цели необходимо затратить определенное время. А если надо еще и автоматически сопровождать цели и выдавать их координаты, то такая

17

Введение

станция сможет обработать первую цель, и только после того, как участок траектории будет зафиксирован, перейти ко второй. В РЛС станциях, работающих по относительно медленно движущимся целям, та-

кой режим может быть допустимым. Но для работы по аэродинамическим объектам – нет! Поэтому вместо дешевой электромеханической антенной системы применяются очень дорогие фазированные антенные решетки (ФАР). В них луч может быть переброшен в любую точку пространства обзора мгновенно. Последовательно перемещая луч на каж-

дую из целей, можно сопровождать несколько целей одновременно. Что касается сопровождения по дальности, то бортовая ЭВМ может «завязать» столько контуров управления, сколько целей в пространстве.

Стоимость определяется минимально возможными аппаратнопрограммными затратами, которыми можно решить задачи, для кото-

рых создается РЛС. Никто не будет создавать слишком дорогие ФАР для тех задач, которые решаются более дешевыми средствами. Так, для рядового инспектора ГИБДД нужен дешевый массовый радар. Поэтому для такой РЛС выбирают самые простые решения: рупорную механическую антенну, простой зондирующий сигнал, примитивные прием-

ник и дисплей.

Достоинства и недостатки

Настоящее учебное пособие посвящено изучению радиолокационных станций непрерывного излучения гармонических сигналов. Эти РЛС являются наиболее простыми и дешевыми, поэтому достаточно широкое распространение в различных гражданских и оборонных отраслях.

В основных разделах учебного пособия будут подробно исследованы возможности радаров рассматриваемого класса по достижению основных характеристик, описанных выше. Но есть уже опыт эксплуата-

18

Непрерывные гармонические сигналы в РЛС

ции этих станций, который позволяет уже до предстоящих исследований декларировать общие достоинства и недостатки.

Основные достоинства:

–главное достоинство – относительные простота и дешевизна.

–возможность однозначного измерение скоростей сближения цели с РЛС;

–высокое прямое разрешение целей по скоростям

Основные недостатки:

–невозможность измерения дальности до цели одной одноантенной РЛС непрерывного излучения гармонического сигнала;

–небольшие дальности действия;

–отсутствие прямого разрешения целей по дальности.

Первое достоинство определяется тем, что в таких РЛС достаточно просты устройства генерирования и обработки сигналов.

Второе достигается тем, что отраженные сигналы имеют реальную частоту Доплера Fд. В импульсных станциях реальная частота Fог регистрируется по огибающей пакета отраженных сигналов. И только до частот, меньших половины частот повторения зондирующих импульсов

Fп. Истинная доплеровская частота, имеющаяся внутри одного короткого отраженного радиоимпульса, не может быть зарегистрирована.

Третье достоинство объясняется тем, что спектр отраженных сигналов достаточно узкополосен. И если скорости целей отличаются хотя бы не намного, это будет сразу зарегистрировано.

Первый недостаток объясняется следующим. Простой, теоретически синусоидальный зондирующий сигнал обеспечивает радару возможность измерения направления на цель и радиальной скорости сближения объекта с РЛС. Но один одноантенный радар с гармоническим зондирующим сигналом не может определить дальность до объ-

екта. Это связано с тем, что между РЛС и целью могут располагаться от

19

Введение

нескольких сотен тысяч до миллионов синусоид зондирующего и отраженного сигналов. Измерить задержку отраженного сигнала относ и- тельно зондирующего невозможно в силу неоднозначности отсчетов.

Выходом из сложившейся ситуации может быть применение двух радаров непрерывного излучения или двух антенн одной РЛС (рис. 8).

Антенны располагаются относительно друг друга на известном расстоянии (базе b). Каждая из антенн определяет направление на цель относительно географического Севера (азимуты α1 и α2). Далее по извест-

ной базе b делается тригонометрический расчет дальности до цели R1.

Рис. 8. Применение двух антенн в РЛС непрерывного излучения

Применение двух антенн позволяет, в определенных пределах, решать и задачи разрешающей способности по дальности.

Второй недостаток заключается в том, что прием отраженного сигнала происходит тогда, когда излучается зондирующий. К сожалению, все СВЧ генераторы помимо генерирования полезного сигнала, генерируют еще и электрические шумы. Шумы генераторов ВЧ и СВЧ создает дробовой эффект носителей зарядов. Так, в транзисторе ток течет за счет перемещения «роя» электронов, которые попадают на кол-

лектор наподобие дроби ружейного выстрела. Они создают как среднее

20