5.3. Радиолокационный обзор

5.3.1. Зона видимости РЛС

Радиолокационное наблюдение осуществляется в определенной области пространства, которую называют зоной видимости (ЗВ) или зоной обзора (ЗО) РЛС. Размеры этой зоны определяются количеством измеряемых координат и интервалами, в пределах которых возможно измерение.

В простейшем случае при измерении двух координат – азимута b и дальности Д можно наглядно отобразить зону видимости РЛС в полярных координатах (рисунок 1).

Для большинства современных РЛС зона видимости – трехмерная, а в доплеровских локаторах кроме трех координат, задающих пространственное положение цели, может измеряться и четвертая координата – радиальная скорость.

Зона видимости такой РЛС является четырехмерной и характеризуется четырьмя координатными интервалами обзора:

• по дальности D r обз = rmax – rmin ,
• по азимуту D b обз = b max – b min ,
• по углу места D e обз = e max – e min ,
• по радиальной скорости D Vr обз = | Vr max |–| Vr min |

Зона обзора по радиальной скорости может быть представлена в двух вариантах – для приближающихся к РЛС целей и для удаляющихся от РЛС целей, что выражено в формуле знаком модуля.

Значения координатных интервалов в современных РЛС велики, а разрешающая способность в определении координат очень высока.

Для количественного описания числа элементов разрешения целесообразно пользоваться нормированными единицами, определяемыми отношением интервала обзора по каждой из оцениваемых координат к соответствующему интервалу разрешения:

; ; ;

то есть количеством разрешаемых элементов в зоне обзора РЛС по каждой из координат.

Общее количество элементов разрешения в ЗО:

N = Nr × Nβ × N e × NV .

Для четырехмерной ЗО число элементов разрешения может достигать миллионов.

5.3.2. Дальность действия РЛС

Потенциальную дальность действия РЛС определяют требования к мощности передатчика, чувствительности приемника и коэффициенту усиления антенной системы РЛС, необходимым для обнаружения цели на заданной дальности. Связь между названными параметрами определяет уравнение дальности действия РЛС для простейшего характерного случая, когда цель находится в максимуме передающей и приемной диаграмм направленности, а помехи отсутствуют

,

где:

Д _мах - максимальная дальность обнаружения РЛС (м);

Р _изл - мощность, излучаемая передатчиком РЛС (Вт);

Р _пр.min - минимальная мощность на входе приемника РЛС, при которой возможно обнаружение цели (чувствительность приемника) (Вт);

σ _ц - ЭПР цели (м2);

l- длина волны излучаемых колебаний (м);

G _{п max} , G _{пр max} - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн РЛС.

Для определения реальной дальности обнаружения следует учесть дальность прямой видимости , за пределами которой цель скрыта от РЛС линией горизонта.

Дальность прямой видимости Дпв в километрах для заданных в метрах высоты расположения антенной системы РЛС HРЛС и высоты полета цели hц определяется по эмпирической формуле

.

Несложно убедиться, что дальность обнаружения самолета на высоте 50 м в 7 раз меньше, чем на высоте 5000 м., поэтому минимальные высоты полета используются СВКН для прорыва системы ПВО. В свою очередь РЛС, предназначенные для работы по маловысотным целям, целесообразно размещать на максимально высоких участках местности, также могут применяться специальные вышки, для увеличения дальности обнаружения.

5.3.3. Разрешаемый объем РЛС

Выделим в зоне обзора четыре соседних элементарных объема 1, 2, 3, 4, в каждом из которых находится одна точечная цель. Элементы 1 и 2 имеют одинаковые угловые координаты, но отличаются по дальности на величину ΔД, элементы 1, 3 отличаются только по азимуту на Δβ и 1,4 - только по углу места на Δε, причем все цели наблюдаются раздельно. Будем сокращать каждую из величин ΔД, Δβ, Δε до тех пор, пока раздельное наблюдение целей станет невозможным. Тогда объем 1 и будет разрешаемым объемом (элементом разрешения), его элементами ΔДмин, Δβмин, Δεмин оценивается разрешающая способность станции по дальности, азимуту и по углу места.

Таким образом, разрешающая способность по дальности оценивается минимальным расстоянием ΔДмин между двумя находящимися на одном направлении целями, при котором эти цели наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по азимуту оценивается минимальной разностью азимутов Δβмин двух целей с одинаковыми дальностью и углом места, при которой эти цели еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по углу места оценивается минимальной разностью углов места Δεмин двух целей с одинаковыми дальностью и азимутом, при которой эти цели, еще наблюдаются раздельно.

Разрешающая способность по скорости оценивается минимальной разностью радиальных скоростей ΔVr двух целей с одинаковыми координатами Д, β, ε, при которой эти цели еще наблюдаются раздельно.

Для принятия решения одиночная цель или групповая достаточно разрешения целей по одной координате.

Таким образом, разрешающая способность РЛС является тактической характеристикой, определяющей возможности РЛС разделять близко расположенные объекты при их зондировании.

5.3.4. Методы РЛ обзора пространства.

Задача обнаружения целей (получение ответа на вопрос – есть цель или ее нет) решается для каждого элемента разрешения в пределах зоны видимости.

Время, требуемое для обнаружения цели в одном элементе - время анализа t ан .

За время t ан в активных РЛС с пассивным ответом выполняются следующие операции:

• наведение антенной системы на требуемый элемент разрешения;
• излучение зондирующего сигнала (ЗС);
• прием отраженного от цели сигнала (если цель есть в исследуемом элементе разрешения);
• обработка принятого сигнала по заданному алгоритму.

Длительность t ан может достигать десятков миллисекунд.

Если просматривать все элементы ЗО один за другим суммарное время, требуемое на полный просмотр всей зоны (обзор пространства) определяется как t обз = t ан × N , где N = Nr × Nβ × N e × … – количество элементов разрешения в ЗО.

Такой способ обзора пространства принято называть последовательным . Для своей реализации он требует один канал, включающий передатчик, антенную систему и приемник (рисунок).

Очевидно, что для N ~106 и t ан ~10-2сек. время обзора t обз ~104сек. (это более 2 часов и 45 минут). Для обнаружения скоростных воздушных объектов такое время обзора неприемлемо.

Если для уменьшения t обз все элементы разрешения ЗО просмотреть одновременно, то t обз должно стремиться к t ан . Такой способ обзора принято называть параллельным обзором пространства, и для его реализации требуется создание отдельного канала (передатчик, антенная система и приемник) для каждого элемента ЗО (миллион каналов), что также неприемлемо.

На практике используют различные комбинации параллельного и последовательного обзора , которые позволяют получить требуемую величину времени t обз при минимальных аппаратных затратах .

Ключевым моментом является определение потребного времени обзора . Это время определяется потребителем радиолокационной информации (РЛИ). Если потребителем РЛИ выступает ЗРС, то t обз – это период обновления информации о воздушной обстановке в зоне ответственности ЗРС. Учитывая, что целями для ЗРС являются высокоскоростные и маневренные СВКН, t обз должно быть минимальным.

Практическое значение t обз должно составлять порядка 6 секунд и менее.

5.3.5. Обзор пространства по дальности

При использовании коротких ЗС обзор зоны видимости РЛС по дальности происходит в процессе следования ЗС до цели и обратно. Радиолокационные сигналы, отраженные от различных элементов разрешения по дальности, поступают на вход приемного устройства РЛС в различные моменты времени, поэтому обзор пространства по дальности является последовательным .

На рисунке 1 показано временное положение двух импульсных отраженных сигналов (ОС) от целей находящихся на различных дальностях r ц1 и r ц2 . Момент приема каждого сигнала задержан относительно начала излучения ЗС на время запаздывания

,

где ( i = 1, 2), с = 3 · 108 м/с.

Никаких специальных операций для выполнения такого обзора при использовании импульсных ЗС не требуется. При зондировании целей одиночным сигналом измерение t з i не представляет каких-либо затруднений и может производиться, например, путем визуального измерения расстояния между яркостной отметкой цели и центром экрана индикатора с круговой разверткой по координатам азимут-дальность (b-Д), соответствующим моменту излучения ЗС (рисунок 2).

Однако при использовании протяженных во времени сигналов (например, КППРИ), может быть организован и параллельный обзор по дальности .

Если в РЛС в качестве ЗС используется пачка радиоимпульсов (рисунок 3), излучение такого сигнала осуществляется периодически с интервалом Тп в течение времени Тс = МТп .

Для Тп < t з макс , имеет место случай неоднозначного обзора по дальности (рисунок 4).

Отраженный от цели сигнал, также как и зондирующий, представляет собой пачку из М радиоимпульсов, смещенную по времени на величину t з относительно момента начала излучения. При этом время запаздывания отраженного сигнала может быть определено только относительно ближайшего слева зондирующего импульса. Такое время запаздывания принято называть относительным t з отн , в отличие от истинного t з .

В общем случае истинное значение времени запаздывания отличается от

t з отн на целое число периодов повторения

t з = t з отн + k Тп ,

где k - число целых периодов повторения, укладывающихся на интервале t з (для случая, показанного на рисунке 4, k = 2).

Неоднозначность в определении дальности является недостатком подобного ЗС, однако, при организации обзора по Д неоднозначность приводит к уменьшению количества элементов разрешения , а, следовательно, к упрощению процедуры обзора.

Поскольку t з отн < Тп , а размер элемента разрешения по Д определяется длительностью одиночного импульса из состава пачки τи, для обнаружения целей с любыми дальностями в пределах D r обз достаточно просмотреть

элементов разрешения.

Для исключения потерь сигналов, расположенных на стыке соседних элементов разрешения, используется взаимное перекрытие разрешаемых элементов, характеризуемое коэффициентом перекрытия Кп который показывает минимальное количество просмотров, используемых для каждой точки на временной оси за одно зондирование.

Например, если Кп = 2, то каждую точку на временной оси просматриваем дважды. Для реализации указанного требования число элементов разрешения следует увеличить в Кп раз.

Кроме того следует учесть, что прием ОС возможен не на всем протяжении Тп , так как на время излучения ЗС приемник закрывается (бланкируется). Длительность бланка составляет t и .

Таким образом, итоговое выражение для определения требуемого числа каналов в приемнике для параллельного обзора по Д с ЗС вида КППРИ составляет

,

где Q с =T _n /τ _u - скважность сигнала.

5.3.6. Обзор пространства по радиальной скорости

Радиолокационный обзор по радиальной скорости также может быть однозначным или неоднозначным.

Если в качестве ЗС используется монохроматический сигнал, в спектре которого присутствует только одна составляющая, измерение радиальной скорости Vr ц производится однозначно. При этом обзор по Vr ц может осуществляться как последовательно, так и параллельно.

Если же спектр ЗС содержит несколько составляющих (как для КППРИ), то для ответа на вопрос однозначно или неоднозначно будет измеряться радиальная скорость необходимо сравнить максимальное априорное значение доплеровской частоты отраженного сигнала (ОС) с величиной частотного интервала между соседними составляющими спектра ЗС.

АЧС принимаемого сигнала при облучении цели КППРИ показан на рисунке 1, где частота f 0 характеризует положение на частотной оси центрального лепестка спектра ЗС.

Из рисунка видно, что АЧС отраженного сигнала, так же, как АЧС зондирующего, является периодической функцией частоты и содержит

спектральных пиков, повторяющихся с интервалом F п = 1/Тп .

В отличие от АЧС ЗС каждый из спектральных пиков сигнала, отраженного от движущейся цели, смещен относительно соответствующего пика ЗС на величину доплеровской добавки частоты:

,

где Vr ц – радиальная составляющая скорости цели.

Измеряя разницу частот принимаемого и излучаемого сигналов, можно определить величину F дц , а, следовательно, и Vr ц . Однако, как и при измерении дальности, периодичность спектров обоих сигналов не всегда позволяет определить ее однозначно. В общем случае результатом подобного измерения будет относительное значение доплеровской частоты F д отн (относительно ближайшего слева или справа пика АЧС ЗС). Истинное ее значение будет выражаться зависимостью:

F дц = F д отн + h F п ,

где h – округленное до целого числа количество интервалов F п , укладывающихся на величине F дц (например, если F дц / F п = 1,49 то h = 1, а если F дц / F п = 1,51 то h = 2).

Из приведенной зависимости следует, что при

,

( h = 0) истинное и относительное значения доплеровской частоты совпадают, а обзор по радиальной скорости является однозначным . При

,

( h ≠ 0) доплеровская частота определяется неоднозначно и обзор по скорости тоже неоднозначен.

Так же как и при обзоре по Д, неоднозначность обзора по скорости можно использовать для уменьшения потребного количества скоростных каналов приемника без потери информации о наличии цели. Вследствие неоднозначности достаточно параллельно просмотреть интервал частот равный F п , а не F д max .

5.3.7. Обзор пространства по угловым координатам.

Для реализации параллельного обзора пространства по угловым координатам радиолокационное наблюдение должно осуществляться по всей зоне обзора одновременно, путем использования многолучевой диаграммы направленности (ДН) антенны и многоканального приемника, число каналов в котором больше или равно числу антенных лучей. Такое построение РЛС на практике не используется, как слишком затратное.

Последовательный обзор производится с помощью одного луча и одноканального приемника, что существенно упрощает конструкцию радиолокатора. При этом зона видимости просматривается последовательно во времени путем перемещения (сканирования) ДН антенны по угловой координате.

Антенны РЛС с последовательным обзором могут иметь диаграммы двух основных видов – игольчатые и веерообразные . При этом обзор может быть круговым или секторным .

Круговой обзор может быть реализован, например, путем механического вращения антенны с веерообразной ДН в азимутальной плоскости с постоянной угловой скоростью W а (рисунок 1).

Однократный просмотр зоны видимости осуществляется за время Тобз, называемое периодом обзора

.

Если в зоне видимости присутствует цель, то сигнал, отраженный целью и принятый антенной РЛС, пропорционален зондирующему сигналу, промодулированному квадратом сечения ДН в плоскости сканирования антенны (рисунок 2). При совпадении максимума ДН с угловым

положением цели амплитуда принятого сигнала достигает максимума.

Из рисунка видно, что в случае углового сканирования с непрерывным перемещением луча вид принимаемого сигнала существенно зависит от формы ДН.

Как для непрерывного, так и для импульсного сигнала длительность принятой посылки равна времени облучения цели:

t обл = D Q 0,5 / W а ,

где D Q 0,5 – ширина луча ДН по уровню половинной мощности в плоскости сканирования антенны.

Веерная форма диаграммы позволяет охватить всю зону видимости

по e за одно зондирование, однако не позволяет измерить значение этой координаты, поэтому РЛС, использующие такую ДН, как правило, двухкоординатные.

В трехкоординатных РЛС, измеряющих дальность и обе угловые координаты, используется ДН игольчатой формы, а обзор осуществляется последовательным перемещением луча в обеих плоскостях. Рассмотрим один из вариантов кругового обзора для РЛС с фазированной антенной решеткой (рис. 3).

При фиксированном значении азимута максимум ДН последовательно с интервалом D e ск , называемым шагом сканирования по e , перемещается от минимального e н до максимального e к значений, после чего вновь возвращается в положение e н , смещаясь при этом на один шаг сканирования по азимуту D b ск .

Далее цикл обзора повторяется и таким образом осуществляется круговой обзор в азимутальной плоскости и секторный в угломестной. Шаг сканирования подбирается так, чтобы исключить участки непросматриваемого пространства между соседними лучами. В зависимости от решаемых РЛС задач и характеристик ДН сканирование может вестись с перекрытием соседних лучей D e ск < D e 0,5 , D b ск < D b 0,5 , или без него D e ск = D e 0,5 , D b ск = D b 0,5 . Оба варианта выбора шага сканирования проиллюстрированы на рисунке 3. По азимуту показано сканирование с перекрытием D b ск < D b 0,5 , а по углу места без перекрытия D e ск = D e 0,5 .

Секторный обзор по угловым координатам, как правило, используется в РЛС сопровождения целей и ракет. Он предусматривает излучение и прием пачки импульсов для текущего углового направления и лишь затем перенос луча на следующее направление. При этом линия огибающей принимаемого сигнала имеет прямоугольную форму, и не зависит от параметров ДН.

Рассмотренные примеры последовательного обзора по угловым координатам относятся к случаю обзора по жесткой программе, когда ДН перемещается независимо от результатов радиолокационного наблюдения. На практике РЛС обнаружения и сопровождения целей могут использовать и гибкие программы обзора. Например, в нечетные периоды происходит обзор, аналогичный рассмотренным жестким программам обзора, а в четные осуществляется подсвет лишь тех угловых направлений, в которых зафиксированы цели. При этом повышается темп обновления радиолокационной информации о целях.