ПРИНЦИПЫ РАДИОЛОКАЦИИ

2.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Радиолокацией называется обнаружение, определение координат и параметров движения различных объектов (целей), отражающих, переизлучающих или излучающих электромагнитную энергию (радиоволны). Термин «локация» происходит от латинского location – размещение, расположение. Комплекс радиотехнических устройств, выполняющих указанную задачу, представляет собой радиолокационную станцию (РЛС), или радиолокатор.

Радиолокационным объектом может быть любое физическое тело или группа тел, электрические и магнитные свойства которых (диэлектрическая и магнитная проницаемость, проводимость) отличаются от свойств среды, в которой распространяются радиоволны. В условиях мореплавания такими объектами являются суда, знаки навигационного ограждения, береговая черта, айсберги, надводные и береговые сооружения и пр.

Радиолокационные объекты могут быть точечными и протяженными.

Радиолокационное изображение на экране индикатора РЛС (отметка) точечных объектов или целей имеет одинаковую форму и размеры. Точечными объектами являются малоразмерные надводные цели, например буй, веха с отражателями или без них.

Точечным объектом может оказаться также и крупноразмерная цель, например, судно среднего или большого тоннажа, если оно находится на большом расстоянии от РЛС.

Радиолокационное изображение протяженного объекта повторяет в соответствующем масштабе форму и размеры самого объекта.

Полезная информация о радиолокационном объекте доставляется радиосигналами, приходящими от объекта к радиолокационной станции. В зависимости от происхождения этих сигналов радиолокация подразделяется на пассивную и активную.

2.1.1. Пассивная радиолокация

РЛС пассивной системы содержит в своем составе приемную антенну направленного действия, радиоприемное устройство и индикатор (рис. 2.1).

Отсутствие излучения зондирующего сигнала повышает скрытность работы, существенно затрудняет обнаружение пассивных радиолокационных станций и создание им помех. Различают пассивную радиолокацию объектов с искусственным (радиопередатчики различного назначения) и естественным (тепловым) излучением радиоволн. Приём пассивной РЛС радиоволн, излучаемых земной и водной поверхностями, используется для снятия радиолокационной карты местности в навигационных целях или обзора местности с целью её разведки, а также для обнаружения отдельных объектов с интенсивным тепловым радиоизлучением. Поэтому пассивная радиолокация называется часто радиотеплолокацией.

Такая РЛС имеет радиоприёмник и антенну с узкой, иглообразной диаграммой направленности, сканирующей в заданном секторе. Принятые сигналы после обработки в приёмнике поступают на электроннолучевой индикатор, у которого развёртка изображения синхронизирована с перемещением диаграммы направленности антенны. На экране индикатора получают картину теплового радиоизлучения местности. C помощью РЛС пассивной системы можно, например, различать границу между водой и сушей, определять трассу проходящих судов, так как температура кильватерной струи бывает выше температуры воды.

Кроме того, пассивные РЛС используются для обнаружения и определения координат воздушно-космических объектов, в частности баллистических ракет на активном участке полёта, и угловых координат таких источников радиоизлучения как Солнца, Луны и звезд. Последнее служит навигационным целям определения широты и долготы точки размещения РЛС. На этом принципе работают так называемые радиосекстаны.

В отличие от активной радиолокации, пассивная радиолокация не позволяет найти дальность объекта по данным приёма сигналов только в одном пункте. Для полного определения координат объекта необходимо совместное использование двух (или более) РЛС, разнесённых на некоторое (известное) расстояние. Различают три способа определения координат радиоизлучающих объектов с помощью пассивной радиолокации:

угломерный;

разностно-дальномерный;

угломерно-разностно-дальномерный.

При угломерном способе определяют только направление на радиолокационный объект — при помощи двух (или более) пассивных РЛС, разнесённых на расстояние l. Если объект и обе РЛС расположены в горизонтальной (вертикальной) плоскости, достаточно найти два азимута (два угла места), а определение дальности осуществляется решением треугольника. Для определения координат объекта в общем случае необходимо измерить не менее трёх угловых координат. Измерив два азимута (a₁ и a₂) и один угол места(e₁), дальность до объекта от первой РЛС (R₁) можно найти по формуле:

Разностно-дальномерный способ определения координат предусматривает измерение разностей расстояний от излучаемого объекта до пассивных РЛС. Для определения координат объекта на плоскости требуется определить не менее двух значений разности расстояний, для чего необходимо иметь, по крайней мере, три разнесённые РЛС. Так же, как и в разностно-дальномерных радионавигационных системах, местоположение объекта определяется точкой пересечения гипербол, соответствующих измеренным разностям расстояний, с фокусами в точках расположения РЛС.

Угломерно-разностно-дальномерный способ является комбинацией первых двух и заключается в определении направлений и разности расстояний от объекта до РЛС. При этом способе надо иметь не менее двух РЛС. Определение плоскостных координат объекта обеспечивается измерением одной угловой координаты и разности расстояний.

Дальность действия пассивных РЛС при резко контрастных объектах может превосходить дальность действия активных (излучающих) РЛС. Точности измерения угловых координат пассивными и активными РЛС примерно одинаковы, точность определения дальности у пассивных РЛС, как правило, ниже.

2.1.2. Активная радиолокация

Активная система радиолокации может быть с пассивным (первичная радиолокация) и активным ответом. РЛС с пассивным ответом содержит радиопередатчик, приемопередающие антенны, радиоприемник и индикатор (рис. 2.2.). Электромагнитная энергия прямых или зондирующих сигналов, излучаемых передающей антенной, распространяясь в пространстве, отражается от объекта и принимается приемником.

C выхода приемника усиленные отраженные сигналы поступают на индикатор, где преобразуются в форму, удобную для получения информации о принятых сигналах.

Активная радиолокация с активным ответом отличается от системы с пассивным ответом наличием на объекте или заранее обусловленном пункте приемопередатчика (ответчика), который отвечает на сигналы РЛС (запросчика). Такая система позволяет не только обнаружить и определить координаты объекта, но и опознать объект.

В зависимости от структуры зондирующих радиолокационных сигналов различают два метода радиолокационного обнаружения:метод непрерывного излучения колебаний и импульсный.

2.2. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД РАДИОЛОКАЦИИ

В основе наиболее распространённого вида радиолокации — радиолокации с зондирующим излучением — лежит явление отражения радиоволн. Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные импульсы сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ), а в промежутке между посылаемыми (зондирующими) импульсами принимает отраженные от объектов импульсные сигналы. Отраженный импульсный сигнал от каждого объекта запаздывает по отношению к зондирующему сигналу на время

t_D=2D/с, где

D – расстояние до объекта;

с – скорость распространения радиоволн.

По этому интервалу времени определяется расстояние или дальность

D=ct_D /2,

а с помощью остронаправленной антенны РЛС – направление (курсовой угол или пеленг) на обнаруженный объект (цель).

При одновременном обнаружении нескольких объектов принимаемые отраженные сигналы будут смещены во времени в зависимости от дальности до этих объектов. Отмеченная особенность импульсного режима работы РЛС позволяет довольно просто одновременно наблюдать за многими объектами, расположенными в радиусе действия РЛС. Этому способствуют также методы индикации с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), применяемые в импульсных РЛС, или система автоматического съема дальности до одного и или нескольких объектов. К преимуществам импульсной РЛС относится также сравнительная простота использования одной и той же антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов.

Недостатками импульсных РЛС являются необходимость применения больших пиковых мощностей; сложность определения скорости движения объектов; невозможность измерения очень малых расстояний и относительно большая минимальная дальность радиолокационного обнаружения, зависящие от длительности импульсов, минимальное значение которых ограничивается шириной частотного спектра и временем протекания переходных процессов в аппаратуре.

Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества импульсного метода радиолокации, обеспечивающие работу РЛС в режиме кругового обзора, являются решающими для судовых навигационных РЛС.

Импульсная РЛС содержит в своем составе следующие основные элементы, показанные на структурной схеме (рис. 2.3):

синхронизатор, вырабатывающий последовательность незатухающих видеоимпульсов для управления (синхронизации) работой передатчика, приёмника и индикаторного устройства;

передатчик, состоящий из модулятора и генератора сверхвысокой частоты (ГСВЧ), который под действием синхронизирующих импульсов генерирует мощные, короткие радиоимпульсы СВЧ;

антенно-фидерное устройство, содержащее остронаправленную антенну и волноводную линию, соединяющую антенну с приемопередатчиком;

антенный переключатель, коммутирующий антенну с передачи на приём и обратно, запирающий приёмник во время излучения зондирующего импульса и блокирующий выходные цепи передатчика при приеме отраженных сигналов;

приемник, усиливающий принятые отраженные сигналы и преобразующий их в видеоимпульсы, которые поступают в индикатор;

индикатор, преобразующий напряжение принятых отраженных сигналов в видимое изображение (отметку) на экране ЭЛТ и выдающий координаты объекта (цели);

блок передачи данных (БПД) углового положения антенны для связи с индикатором.

Работа импульсной РЛС иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис. 2.4. Запускающие импульсы 1 синхронизатора с периодом следования или повторения T_и поступают одновременно (либо с постоянной задержкой) на модулятор передатчика и индикатор. Импульсный модулятор передатчика вырабатывает модулирующие видеоимпульсы 2 длительностью τ_и, воздействующие на ГСВЧ, который генерирует радиоимпульсы 3, длительностью, равной примерно длительности модулирующих импульсов. Радиоимпульсы ГСВЧ через антенный переключатель поступают в антенну и излучаются, выполняя функцию зондирующих сигналов. Через интервал времени tD на входе приемника возникают отраженные сигналы 4, которые усиливаются и детектируются приемником. В результате детектирования на выходе приемника создаются видеоимпульсы 5, смешанные с шумом (помехой), которые подаются на управляющий электрод ЭЛТ индикатора, создавая амплитудную или яркостную отметку на экране в зависимости от способа модуляции электронного луча ЭЛТ.

D=ct_D/2,

Включаемый одновременно с передатчиком индикатор формирует импульс 6 напряжения временной развертки ЭЛТ с длительностью прямого хода, равной t=2Dmax/c, где Dmax – максимальная дальность на шкале индикатора. Временная развертка обеспечивает отсчет дальности, а данные углового положения антенны, поступающие на индикатор через блок БПД, – отсчет азимута обнаруженного объекта (цели).

В настоящее время на некоторых образцах современных РЛС импульс, посылаемый станцией, представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели.

2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Угловые координаты, т.е. направления на обнаруживаемый объект, определяют методом пеленгования с помощью направленной антенны. В зависимости от антенной системы РЛС методы определения угловых координат могут быть амплитудными и фазовыми. Амплитудные методы, использующие направленные свойства антенны, основаны на сравнении амплитуд сигналов, отраженных от объектов и принятых различными приемными антеннами.

На практике в судовых радиолокационных системах используются следующие амплитудные методы: максимума, сравнения или равносигнальный.

При определении направления (пеленгации) по методу максимума антенна плавно поворачивается, и в момент, когда объект окажется в пределах диаграммы направленности антенны, на вход приемника будут поступать отраженные сигналы (рис. 2.5). Если объект является точечным, т. е. его угловые размеры меньше, чем ширина диаграммы направленности антенны, и сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала меняется по закону изменения формы диаграммы направленности антенны .

Когда ось диаграммы направленности антенны совпадает с направлением на объект, напряжение на входе приёмника оказывается максимальным и указатель поворота антенны даст отсчет курсового угла или пеленга на объект .

Достоинством метода максимума является его техническая простота и возможность получения наибольшего значения отношения сигнал\шум, так как в момент определения угловой координаты принимаемые отраженные сигналы имеют наибольшую амплитуду, отчего увеличивается дальность радиолокационного обнаружения. Кроме того, наличие отраженного сигнала в момент пеленгования позволяет наблюдать объект на экране индикатора и измерить его координаты. Благодаря этим особенностям метод максимума широко используется в радиолокационных системах, работающих в режиме кругового обзора, например, судовых навигационных радиолокационных станциях.

Основным недостатком данного метода является относительно низкая точность определения угловой координаты вследствие того, что вблизи максимума диаграммы направленности антенны интенсивность принимаемых отраженных сигналов меняется очень мало.

Основным параметром антенной угломерной системы является ее пеленгационная характеристика, которая представляет собой зависимость входного напряжения приемника от направления приходящих отраженных сигналов U_вх(a). Точность измерения направления определяется крутизной пеленгационной характеристики или пеленгационной чувствительностью, которая является производной пеленгационной характеристики при = ₀:

Зная минимальную величину изменения входного напряжения , которое можно заменить при пеленговании методом максимума, можно определить угловую ошибку , которая будет равна

Следовательно, с уменьшением величины , и увеличением крутизны пеленгационной характеристики точность отсчета угловых координат повышается. Однако из-за того, что при максимальном методе пеленгования пеленгационная чувствительность очень мала, ошибки пеленгования методом максимума будут равны , где – ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности, что соответствует уровню 0,7 диаграммы по напряженности поля.

Для повышения точности пеленгования необходимо применять остронаправленные антенны с более узкой диаграммой направленности. Это достигается использованием более коротких волн и увеличением размеров антенны.

Для РЛС с одной антенной, работающей на передачу и прием отраженных сигналов, диаграмма направленности антенны используется в формировании огибающей дважды: при передаче и при приеме сигналов. Поэтому результирующая диаграмма равна произведению диаграмм передающей и приемной антенн.

2.4 ПРОСТАНСТВЕННЫЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР

Чтобы обнаружить объект, антенна РЛС должна периодически облучать все точки зоны, подлежащей контролю, т. е. совершать обзор заданного пространства. Различают последовательный, параллельный и смешанный виды обзора.

При последовательном обзоре луч антенны РЛС перемещается в пределах заданной зоны, периодически повторяя заданную траекторию. Время T_обз, необходимое для однократного перемещения луча по всей зоне обзора, называется периодом обзора.

Наиболее распространенным видом последовательного обзора является круговой (или секторный) линейный обзор, широко используемый в судовых навигационных РЛС для обнаружения и определения координат надводных и наземных объектов (рис. 2.6.). В этом случае луч антенны с равномерной скоростью перемещается в горизонтальной плоскости, совершая круговое или (при секторном обзоре) возвратно-круговое движение. Скорость вращения антенны выбирается такой, чтобы период T_обз обзора был меньше. Это повышает точность измерения координат и уменьшает скачки отметки отраженных сигналов от движущегося объекта, воспроизводимых на экране индикатора. Однако уменьшение T_обз снижает накапливание энергии отраженных сигналов и ухудшает тем самым условия наблюдения сигналов на экране индикатора при наличии помех.

Время t_обл облучения точечного объекта зависит от угла направленности антенны в горизонтальной плоскости и угловой скорости обзора:

где a_г – угол направленности антенны в горизонтальной плоскости, град.;

– угловая скорость обзора, град/ сек.

Между угловой скоростью и частотой вращения антенны n в оборотах в минуту имеет место следующая зависимость: . Тогда время облучения .

Задаваясь временем облучения и шириной диаграммы направленности антенны, можно найти предельную угловую скорость обзора , и максимальную частоту вращения антенны .

Отсюда минимальная величина периода кругового обзора равна .

Время облучения выбирается исходя из периода T_и следования импульсов и заданного минимального числа N_min отраженных импульсов в пачке, необходимого для уверенной фиксации объекта на экране индикатора,

Следует отметить, что при обнаружении и определении координат воздушных объектов, кроме дальности и азимута, необходимо еще определять угол места (или высоту). В этом случае применяются более сложные методы пространственного обзора: винтовой, зигзагообразный или телевизионный, спиральный, конический, которые относятся к виду последовательного обзора.

2.5. МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Метод непрерывного излучения колебаний при радиолокационном обнаружении объектов основан на эффекте Доплера, при котором частота сигнала, поступающего на приемное устройство, меняется в зависимости от относительной скорости движения между передатчиком и приемником. В результате Доплеровского эффекта принимаемая частота выше – при уменьшении расстояния между передатчиком и приемником и ниже – при увеличении этого расстояния. Если относительное движение отсутствует, то принимаемая частота точно соответствует передаваемой частоте.

Доплеровская РЛС непрерывного излучения - самая простая из всех. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую А_пер и приемную А_пр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). В зависимости от назначения РЛС на его выходе включаются либо наушники, либо частотомер (рис.2.7).

Рис.2.7. Структурная схема Доплеровской РЛС

Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера.

В приемную антенну попадают два сигнала: прямого прохождения (от излучающей антенны) и отражённый от цели. В смесителе они сравниваются, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской.

F_Д = 2f₀ V_p / c = 2V_p / l , где

f₀ - частота излучаемого сигнала; V_p - радиальная скорость цели;

c - скорость радиоволн, равная скорости света.

При наличии развязывающего устройства излучение и приём сигналов в доплеровской РЛС осуществляется на одну антенну (см. подраздел 11.1, рис. 11.4).

Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т.е. ввести в генератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить дальность.

Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала будет изменяться также, но с запаздыванием на некоторое время t, время распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика, в какой - то момент t₁ равна f₁, то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t₁+t успеет измениться до значения f₁+Df, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Df (рис 2.8).

Рис. 2.8. Изменение частоты сигнала передатчика и отражённого сигнала

при частотной модуляции излучаемых колебаний

Эта частота тем выше, чем больше расстояние до цели. Частотно - модулированные локаторы нашли свое применение в авиации, на морских судах, а также для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, обеспечивающие очень высокую точность определения дистанции.

В судовождении доплеровские РЛС применяются для измерения скорости причаливания крупнотоннажных морских судов при швартовке их к причалу, в связи с тем, что многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150-200 тыс. т, если его скорость превышает 3-5 м/мин.