Заключение [1961 Сайбель А.Г. - Основы радиолокации]

Теория и техника радиолокации, как и вся радиоэлектроника в целом, развиваются весьма быстрыми темпами. Поэтому в заключение настоящего курса рассмотрим общие направления этого развития.

Важными проблемами современной радиолокации, как и прежде, являются проблемы повышения дальности действия радиолокаторов, их точности, разрешающей способности, помехозащищенности, оперативности и надежности.

Пути повышения действия радиолокаторов вытекают из основных формул радиолокации. Действительно, согласно формуле (6.5)

На первый взгляд, может показаться, что в распоряжении конструктора имеется большое число средств повышения дальности действия радиолокатора. Однако на самом деле это далеко не так. Дело в том,что значения к. п. д. фидерных или волноводных линий η₁ и η₂ обычно не так уж сильно отличаются от единицы. То же самое хотя и в меньшей степени относится и к коэффициенту потерь ξ. Кроме того, увеличение длительности пачки импульсов τ_п ограничивается допустимым максимальным значением периода обзора, а укорочение длины волны λ - затуханием радиоволн в атмосфере.

Величина порогового значения отношения сигнал/шум q_1пор также не может выбираться произвольно, так как определяется выбранным критерием обнаружения и заданными значениями вероятностей ложной тревоги и пропуска дели.

Таким образом, фактически дальность действия радиолокатора можно существенно увеличить только за счет соответствующего увеличения средней мощности передатчика Р_ср и эффективной поверхности антенны S_а, а также за счет уменьшения коэффициента шума приемника N.

В свою очередь средняя мощность передатчика, равная

может быть повышена путем увеличения импульсной мощности передатчика Р₁, эффективной длительности импульса τ_эфф и частоты повторения импульсов F_п. Необходимо однако иметь в виду, что увеличение импульсной мощности передатчика связано со значительными конструктивными усложнениями как генератора высокой частоты, так и импульсного модулятора, а увеличение частоты повторения импульсов обычно ограничивается условием однозначности дальнометрии, согласно которому

При невыполнении этого условия задача дальнометрии усложняется.

Итак, наиболее простым путем увеличения средней мощности передатчика является увеличение длительности импульса. Этим собственно и объясняется то, что в станциях дальнего обнаружения обычно используются импульсы сравнительно большой длительности (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд). Для того чтобы при этом не происходило ухудшения разрешающей способности по дальности обычно применяют метод сжатия импульсов, сущность которого будет изложена ниже.

Представление о том, как изменилась мощность радиолокационных передатчиков станции дальнего обнаружения за последние 15 лет, можно получить из следующих цифр. Если передатчики таких станций в конце второй мировой войны имели импульсную мощность порядка 0,5 Мвт, а среднюю мощность - порядка 0,5 квт, то современные передатчики имеют импульсную мощность 5÷10 Мвт, а среднюю мощность - 100 квт. Как видим, за указанный период импульсная мощность радиолокационных передатчиков возросла примерно в 10 раз, а средняя мощность - в 200 раз. Все это стало возможным благодаря разработке новых мощных генераторных ламп СВЧ, главным образом клистронов, ЛБВ, ЛОВ и платинотронов. Что же касается магнетронов, то существует мнение, что их дни сочтены. Благодаря сравнительно высокому отношению мощности к весу, магнетроны еще сохраняются в самолетных и подвижных наземных радиолокаторах, но даже и отсюда они будут в скором времени вытеснены.

Размеры антенн иностранных станций дальнего обнаружения также сильно возросли (рисунок). Так, если антенны таких станций периода второй мировой войны представляли собой синфазную решетку размером 12×6 м², то антенны современных станций имеют неподвижные отражатели в виде секции тороида (окружность в горизонтальной плоскости и парабола в вертикальной) с размерами 120×50 м². Это означает, что S_a² современных станций в 7000 раз больше, чем старых.

Общий вид радиолокаторов. 1 - радиолокатор дальнего обнаружения времен второй мировой войны; 2 - современный радиолокатор дальнего обнаружения; 3 - радиолокатор сопровождения времен второй мировой войны; 4 и 5 - современные радиолокаторы сопровождения

Значительному совершенствованию подверглись и радиолокационные приемники. Так, приемники станции дальнего обнаружения периода второй мировой войны имели коэффициент шума порядка 15, в то время как современные приемники с усилителями высокой частоты на ЛБВ имеют коэффициент шума около 3. Еще лучшие результаты ожидаются от параметрических и молекулярных усилителей. Так, опытные образцы параметрических усилителей имеют коэффициент шума около единицы. В дальнейшем будут получены практически бесшумные усилители. Между прочим, при применении приемников с низким уровнем собственных шумов начинают сказываться даже такие источники шума, как потери в фидерных или волноводных линиях. Поэтому применение таких приемников заставляет резко снижать указанные потери.

Другим путем повышения дальности радиолокации является использование диапазона коротких волн (3-30 Мгц), которые отражаются от ионосферы. Разумеется, в этом случае можно обнаружить только те объекты, которые расположены ниже слоя ионосферы. Предполагается, что коротковолновые радиолокаторы позволят обнаруживать запуск баллистических снарядов и ядерные взрывы на расстояниях в несколько тысяч километров. Здесь фактически объектами, отражающими радиоволны, будут те большие объемы ионизированных газов, которые образуются при запусках ракет и ядерных взрывах.

Эффективность коротковолновых радиолокаторов будет определяться тем, насколько удастся выделить полезные сигналы на фоне помех, возникающих вследствие эффекта Н. И. Кабанова.

Таковы основные пути повышения дальности радиолокации.

Проблема повышения точности относится, в первую очередь, к точности определения угловых координат, т. е. к точности пеленгации. Эта проблема возникла в связи со значительным увеличением дальностей наведения и дальностей сопровождения целей.

Основными путями повышения точности определения угловых координат являются сужение диаграммы направленности антенны, уменьшение уровня ее боковых лепестков и переход от одноканальных систем сопровождения по направлению к многоканальным системам.

Сужение диаграммы направленности антенны позволяет либо увеличить пеленгационную способность при равносигнальном методе пеленгации, либо увеличить отношение базы к длине волны без потери однозначности при фазовом или амплитудно-фазовом методах пеленгации. И то, и другое ведет и повышению точности пеленгации. Необходимое сужение диаграммы направленности антенны достигается соответствующим увеличением ее размеров (рис. 11.1).

Уменьшение уровня боковых лепестков антенны позволяет уменьшить ошибки пеленгации, возникающие вследствие влияния сигналов, отраженных от поверхности земли.

Переход от одноканальных систем сопровождения по направлению к многоканальным позволяет значительно снизить ошибки, вызванные флюктуациями отраженного сигнала.

В принципе в многоканальных системах автоматического сопровождения по направлению может быть использован любой из ранее рассмотренных методов пеленгации. Однако наибольшее распространение в современных иностранных станциях сопровождения получает амплитудно-фазовый метод, так как при таком методе требования к постоянству амплитудных и фазовых характеристик каналов значительно ниже, чем при амплитудном или фазовом методах.

Кстати заметим, что способ образования напряжений суммы и разности при помощи высокочастотных трансформаторов (рис. 4.6) является далеко не единственным. Так, в диапазоне метровых и дециметровых волн для этих целей обычно применяют фидерное кольцо длиной 1,5λ. Антенны в этом случае присоединяются к фидеру в точках, разнесенных на величину λ/2. Напряжение суммы снимается с точки, расположенной на расстоянии λ/2 от точек присоединения антенн, а напряжение разности - с точки, расположенной на расстояниях λ/4 и 3λ/4 от тех же точек. В диапазоне сантиметровых волн вместо фидерного кольца обычно используют волноводное кольцо.

Проблема повышения разрешающей способности касается как разрешающей способности по дальности, так и разрешающих способностей по скорости и по угловым координатам.

В принципе повышение разрешающей способности по дальности может быть достигнуто за счет соответствующего расширения спектра излучаемых колебаний, что в свою очередь может быть достигнуто либо путем укорочения длительности импульсов, либо путем частотной или фазовой модуляции колебаний высокой частоты в пределах импульса. Первый путь повышения разрешающей способности по дальности достаточно очевиден и широко используется в станциях со сравнительно небольшим радиусом действия. Однако этот путь не может быть реализован в станциях дальнего обнаружения, поскольку укорочение длительности импульсов ведет к соответствующему уменьшению их энергии, а, следовательно, и дальности радиолокации.

Второй путь повышения разрешающей способности по дальности не требует укорочения длительности импульсов, но требует применения специальных фильтров, позволяющих произвести сжатие принимаемых импульсов.

Сущность принципа сжатия импульсов заключается в следующем.

Пусть мгновенная частота колебаний в пределах прямоугольного импульса длительностью τ меняется по линейному закону

Тогда входной импульс с амплитудой, равной единице, можно представить как

Если теперь этот импульс пропустить через фильтр, время задержки которого является тоже линейной функцией частоты, но с наклоном, обратным наклону закона изменения частоты, то произойдет сжатие импульса.

Действительно, если коэффициент передачи фильтра сжатия равен

Подставив значение F_вых(ω) и произведя ряд преобразований, получим

Длительность выходного импульса на уровне 0,5 по мощности

Таким образом, увеличивая девиацию частоты, можно сократить длительность импульса на выходе фильтра сжатия.

Амплитуда напряжения в пике выходного импульса будет в

раз больше, чем входного. Следовательно, мощность в пике выходного импульса будет в k раз больше, чем входного.

Такова сущность повышения разрешающей способности по дальности методом сжатия импульсов.

Разрешающая способность по скорости может быть повышена путем увеличения длительности излучаемых импульсов.

Разрешающая способность по угловым координатам может быть повышена путем сужения диаграммы направленности антенн, т. е. путем увеличения размеров антенны и укорочения рабочей длины волны станции.

Проблема повышения помехозащищенности радиолокаторов является наиболее важной и вместе с тем наиболее сложной. Одним из методов защиты от активных помех является программное изменение частоты излучаемых колебаний в широких пределах. Диапазон электронной перестройки клистронов составляет обычно 1-2%, а усилителей мощности на ЛБВ и ЛОВ 15%. Такие пределы считаются недостаточными, и поэтому ставится задача добиться возможности перестройки в пределах порядка 50%.

Для борьбы с пассивными помехами используют когерентность колебаний от импульса к импульсу. С этой целью современные радиолокационные передатчики в отличие от старых выполняют по двухкаскадной схеме, т. е. по схеме генератор - усилитель мощности.

Повышение оперативности радиолокационных станций достигается путем широкого применения систем автоматического съема и обработки радиолокационных данных. Такие системы преобразуют указанные данные из аналоговой формы в цифровую. Затем преобразованные данные поступают в цифровую вычислительную машину, которая на основании данных предшествующих циклов обзора определяет, в каком месте пространства следует ожидать появление цели в последующем цикле обзора. Это означает, что цифровая вычислительная машина выполняет экстраполяцию координат.

Благодаря такому непрерывному вычислению упрежденных координат и сравнению их с действительными, координаты одной цели не могут быть спутаны с координатами других целей. Более того, пропадание сигнала цели в каком-либо цикле обзора не прерывает слежения за ней, так как в этом случае для вычисления упрежденных координат последующего цикла обзора вместо действительных координат учитываются упрежденные координаты предыдущего цикла.

Таким образом, системы автоматического съема и обработки данных позволяют определять не только координаты целей, но и их скорости и направление движения, т. е. их траектории.

Повышение надежности радиолокационных станций достигается использованием радиодеталей и узлов с повышенной надежностью, применением облегченного режима для электронных ламп, широким применением автоматизированного контроля работы как отдельных цепей станции, как и станции в целом и, наконец, резервированием наиболее важных блоков станции.

Таковы основные пути развития радиолокационной техники.

Итак, в настоящем курсе рассмотрены принципы и методы радиолокации и основные пути их технической реализации, причем объем приведенных сведений ограничен программой курса. Лица, желающие углубить свой знания в области теории и техники радиолокации, могут воспользоваться специальной литературой, список которой приведен в конце книги, а также отечественной и зарубежной периодической литературой по радиоэлектронике.