Радиолокация - обнаружение и определение местоположения разл. объектов с помощью радиотехн. устройств. Первые радиолокационные станции (РЛС), называемые также радиолокаторами или радарами, появились в Великобритании, СССР и США в кон. 1930-х гг.
Принцип действия систем радиолокации состоит в обнаружении и регистрации
вторичных радиоволн, отражённых (рассеянных) наблюдаемыми объектами (см.
Отражение радиоволн, Рассеяние радиоволн)при облучении
их эл--магн. волнами радиолокац. передатчика. Приём вторичных радиоволн направленной
антенной позволяет определять угл. положение объектов относительно радиолокатора,
а измерение времени запаздывания отражённых сигналов по отношению к сигналам
передатчика - удаление объектов от радиолокатора. Ур-ние Р. для мощности РТ принятого сигнала
где Pt - излучаемая мощность,
Gt - усиление антенны на передачу, s - эфф. площадь рассеяния
(ЭПР) объекта, Аr - эфф. площадь поглощения приёмной антенны,
R - дальность объекта Р.
Основные методы радиолокации. Наибольшее распространение
получила активная импульсная Р. Вследствие того, что излучение зондирующего
импульса заканчивается раньше прихода отражённого сигнала, для передачи и приёма
в импульсных РЛС служит одна и та же антенна. Укрупнённая блок-схема РЛС изображена
на рис. 1. Широкое применение в передающих устройствах РЛС нашли магнетроны, однако в большинстве современных РЛС передатчик построен по схеме усилителя
электрических колебаний (с выходным каскадом на клистроне или лампе
бегущей волны)и имеет задающий ВЧ-генератор, служащий также
источником гетеродинного напряжения приёмника (см. также Радиоприёмные устройства), а процессор сигнала представляет собой цифровое устройство, на к-рое
принятые сигналы поступают после аналогово-цифрового преобразователя. Устройство
отображения выполняется обычно на приёмных электронно-лучевых трубках и
даёт наглядную координатную и дополнит. информацию о наблюдаемых объектах, контролируемых
зонах пространства и имеющихся помехах (напр., гидрометеорах). Направление на
объект Р. в РЛС с механически управляемой антенной определяют по угловому её
положению, при к-ром величина принимаемого сигнала достигает максимума; в РЛС
с электронно управляемым лучом вместо угл. положения антенны измеряют угл. положение
луча относительно нормали к раскрыву антенны.
Рис. 1.
Макс. дальность Rмакс обнаружения
может быть выражена через энергию зондирующего сигнала Et, для
к-рого приёмник представляет собой согласованный фильтр:
где Еш - энергия шума
в приёмной системе, ;r - отношение сигнала к шуму, обеспечивающее
обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог, h
< 1 - коэфф. потерь полезной энергии. Вероятность обнаружения D и
вероятность ложных тревог Fл. т. - связанные параметры. Простейший
вид эта связь имеет для обнаружения по одному импульсу сигнала с рэлеевским
распределением амплитуды:
Требуемая энергия зондирования может быть сосредоточена
в одном импульсе или в группе из n когерентных импульсов (т. е. импульсных
"вырезок" из единого синусоидального колебания; при этом напряжение
сигнала на выходе возрастает в n раз в сравнении с одним импульсом).
Возможно также увеличить энергию сигнала за счёт некогерентного интегрирования
импульсов на видеочастоте; в этом случае не потребуется поддержания определённых
фазовых соотношений между импульсами на высокой и промежуточной частотах, но
напряжение на интеграторе будет возрастать только как 
В теории Р. доказывается, что существует. оптимальный приём, при к-ром достигается
наибольшее возможное при данной энергетике превышение сигнала над шумом на выходе
"согласованного фильтра" (фильтра электрического, импульсная
характеристика к-рого является "зеркальным отражением" на оси времени).
Когерентный приём позволяет приблизить энергетику РЛС к теоретич. пределу.
При когерентном приёме может существенно проявляться
отличие несущей частоты отражённого подвижным
объектом сигнала от частоты облучающего сигнала. Эта разность, называемая доплеровским
сдвигом частоты, 
где up - радиальная скорость объекта,
l - длина волны (см. Доплера эффект ).При длительности пачки tк
когерентно накопляемых импульсов полоса частот пачки и полоса доплеровского
фильтра равны Dfк = 1/tк.
При fд > Dfк возможно выделять сигналы
подвижных объектов на фоне неподвижных предметов или земной поверхности, находящейся
на той же дальности. РЛС, использующие данный эффект, наз. импульсно-доплеровскими.
В Р. применяется и др. способ выделения сигналов подвижных объектов на фоне
мешающих отражений - селекция движущихся целей, основанная на черсс-периодном
вычитании последовательно принимаемых сигналов на промежуточной частоте.
По характеру функционирования радиолокаторы разделяются
на 2 осн. класса: РЛС обзора и РЛС сопровождения. РЛС обзора периодически зондируют
все угл. направления сектора ответственности, обнаруживают движущиеся объекты
и прокладывают трассы их движения в проекции на земную поверхность (двухкоординатные
РЛС) или в пространстве (трёхкоординатные РЛС). Период осмотра пространственного
сектора пропорционален ср. мощности зондирующих сигналов РЛС. РЛС сопровождения
в течение всего рабочего цикла измеряет координаты движущихся относительно РЛС
объектов. Многофункциональные РЛС совмещают обзор и сопровождение. В полной
мере многофункциональность реализуется в РЛС с фазируемой антенной решёткой (ФАР), обеспечивающей практически безынерционное перемещение антенного луча
в угл. секторе, достигающем для плоской ФАР 120° (рис. 2; по горизонтали
- время, по вертикали-угл. положение антенного луча по азимуту; вытянутые по
оси времени прямоугольники отображают процесс обзора; горизонтальный размер
малых прямоугольников - время обслуживания одного угл. направления, на протяжении
к-рого обзор пространства прерывается). На каждом азимуте луч шириной q
задерживается на время te зондирования сектора ответственности
по углу места (на рис. не показан), после чего цикл повторяется на смежном азимуте.
Наряду с обзором ведётся сопровождение объектов на азимутах b1
и b2.
Основные параметры РЛС. Разрешающая способность
и точность определения координат являются кор-релиров. характеристиками РЛС.
Разрешающая способность по угл. координате приближённо равна ширине q антенного
луча, а среднеквадратичное значение случайной шумовой ошибки сопровождения
где r - отношение сигнала к шуму по мощности,
h - число эффективно интегрируемых выборок для системы сопровождения.
Помимо шумовой ошибки имеются др. случайные ошибки, так что как бы велик ни
был сигнал, угл. ошибка не стремится к нулю. Из наиб. распространённых способов
измерения угл. координат ("на проходе", путём конич. сканирования,
переключением диаграммы, моноимпульсным методом - см. рис. 3) наиб. точность
даёт последний метод. В сантиметровом диапазоне достигнута минимальная суммарная
ошибка измерения угла порядка 0,01 q. Разрешающая способность РЛС по дальности
DR =
где Dfс - ширина спектра зондирующего сигнала. Среднеквадратичное
значение случайной шумовой ошибки измерения дальности при сопровождении
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4
Для увеличения дальности действия РЛС необходимо
повышать энергию зондирования, что достигается либо увеличением мощности в импульсе,
либо увеличением его длительности.
Второй путь предпочтительнее, т. к. устраняет ряд инженерных проблем, связанных
с более высокими электрич. напряжениями. Но для сохранения при более длит. импульсах
заданного разрешения по дальности требуется внутриимпульсная частотная модуляция
(ЧМ) или фазо-кодовая модуляция (ФКМ), обеспечивающая ширину спектра Dfс
зондирующих сигналов, равную с/2DR, где с - скорость света.
От длительности зондирующего импульса разрешение не зависит, но при обоих видах
модуляции от неё зависит уровень мешающих боковых лепестков и ширина области
их существования.
В случае внутриимпульсной линейной ЧМ принимаемый
отражённый сигнал после преобразования на промежуточную частоту (см. Преобразование
частоты)поступает на частотно-дисперсионную линию задержки (рис. 4, а),
на выходе к-рой появляется сжатый импульс длительности 1/Dfс.
При внутриимпульсной ФКМ принимаемый отражённый сигнал после преобразования
на промежуточную частоту поступает на линию задержки с отводами (рис.
4, б), отображающими кодовую последовательность ФКМ зондирующего импульса
и снабжённую такими фазосдвигающими элементами в отводах, к-рые обеспечивают
синфазное суммирование всех парциальных сигналов при достижении импульсом конца
линии задержки; при этом на сумматоре появляется сжатый импульс длительностью
1/Dfс.
Применение линий задержки, сумматоров, частотных
фильтров, временных селекторов в виде аналоговых устройств сопряжено с рядом
неудобств, обусловленных их нестабильностью, необходимостью регулировки, сложностью
и высокой стоимостью. Поэтому в совр. РЛС широко применяется цифровая обработка
принимаемых сигналов. Для цифровой обработки принятый сигнал после преобразования
частоты и усиления подаётся на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), на
выходе к-рого получаются выборки сигнала в виде двоичного цифрового кода, несущие
в себе информацию как об амплитуде, так и о фазе принятого сигнала. Далее все
операции производятся с помощью цифровых фильтров, интеграторов и устройств
для селекции движущихся целей. Широкое применение в цифровых процессорах сигнала
находит быстрое Фурье преобразование, резко снижающее требования к объёму
вычислений и позволяющее осуществить многоканальную фильтрацию в частотной области.
Важнейшее значение имеют характеристики АЦП: его разрядность определяет ди-намич.
диапазон приёмника РЛС, его быстродействие - достижимое разрешение по дальности.
Совр. АЦП обеспечивают быстродействие 20 МГц при 12 разрядах.
В наземных и корабельных РЛС используются гл.
обр. дециметровые и сантиметровые волны. В самолётных РЛС, где габариты антенн
строго ограничены, применяются только короткие сантиметровые волны. Имеются
также РЛС на волнах 8 мм и даже 3 мм. Ограничение длины волны снизу определяется
резко возрастающими с уменьшением l потерями в атмосфере.
Кроме активных радиолокаторов, работающих по отражённому сигналу, существуют пассивные радиолокаторы, использующие естеств. излучение объектов (радиометры). Такие устройства могут непосредственно измерять только угл. координаты.
Т. Р. Брахман
|
|
 |
