История развития радиолокации

Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее распространение получил супергетеродин (рис.12) с кристаллическим смесителем (СМ) на выходе. Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью р - п  перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного гетеродина, собранного на маломощном отражательном клистроне. Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых  импульсов на значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота выбирается в диапазоне 30...100 МГц, т.е.  там, где сравнительно несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов.

                     

 

               

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.12

Схема супергетеродинного приемника РЛС

 

Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ. Оно может достигать 10⁶. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, различные системы автоматической регулировки усиления. На входе приемника сильные  сигналы от близких объектов и слабые от далеких целей могут различаться на 100...120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20...30 дБ, и тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Последними элементами структурной схемы приемника являются детектор и усилитель видеоимпульсов.

Технические характеристики РЛС во многом зависят от конструкции  приемо-передающей антенны. Энергию  волн из волновода в открытое пространство можно передать посредством рупорной антенны. Хорошая рупорная антенна должна быть длинной, поскольку любые неоднородности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как раз и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности, поле в раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна проходит разный путь  и колебания на краях раскрыва запаздывают относительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти, или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными. Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны, а рупор используют в качестве облучателя зеркала. Чем больше размеры антенны , тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы направленности  f  связана с размером антенны формулой   f=l/D , где угол  f  выражается в радианах.

Стремление увеличить  дальность действия привело к  тому, что радиолокация, как и  многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах.  Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС: у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см^2).

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму (наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий.                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАДИОЛОКАЦИИ.

 

 

В наше время радиолокация получила широчайшее применение. Ее методы и средства используются для обнаружения объектов и контроля обстановки в воздушном, космическом, наземном и надводном пространствах. Современная техника позволяет с большой точностью измерять координаты положения самолета или ракеты, следить за их движением, определять не только формы объектов, но и структуру их поверхности. Радиолокационные методы открывают возможность изучать недра Земли и даже внутренние неоднородности поверхностных слоев на других планетах. Но если говорить о чисто "земных делах" - гражданском и военном применении радиолокации, то ее методы незаменимы, например, в организации управления воздушным движением, наведении, распознавании объектов, определении их принадлежности.

В зависимости от конкретного назначения современные радиолокационные станции (РЛС) имеют характерные особенности. Из всего их разнообразия значительную долю составляют РЛС обнаружения. Связано это с тем, что радиолокационный метод обнаружения является основным как на Земле, в воздухе, на море, так и в космосе. С помощью радиолокации производится так называемая пространственная селекция - обнаружение объекта по отраженному сигналу, временная селекция, когда по задержке возвращения отраженного сигнала устанавливается дальность до цели. Существует еще понятие частотная селекция, позволяющая отслеживать по изменению частотного спектра сигнала радиальную скорость наблюда емого объекта.

 Современные РЛС,  как правило, трехкоординатные. Они  определяют дальность, угол места  и азимут. При этом применяются антенны, имеющие узкие диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Чтобы обеспечить заданные точности определения угловых координат и не увеличивать время обзора, применяется метод параллельно-последовательного обзора пространства, когда одновременно используется несколько лучей, а зона перекрывается последовательным перемещением этих лучей, что позволяет сократить количество приемных каналов. Каким же образом можно избежать мешающих отражений от местных предметов и неоднородностей в атмосфере? Здесь, в арсенале радиолокации, - режим селекции по частоте. Его суть состоит в том, что движущийся относительно РЛС объект отражает сигнал со сдвигом по частоте (эффект Доплера). Если этот сдвиг составляет даже всего 10^-7 от значений несущей частоты, то современные методы обработки выделят разницу и радиолокатор "увидит" цель. Это обеспечивается благодаря поддержанию необходимой стабильности сигналов или, как говорят специалисты радиолокации, сохранению их когерентности. Это важно, например, потому, что объекты, вызывающие мешающие отражения, часто не являются неподвижными (раскачиваются деревья, наблюдается волнение по водной поверхности, перемещаются облака и т. п.). Такие отраженные сигналы также имеют сдвиг по частоте. Чтобы расширить возможности РЛС, применяют различные режимы работы станций и их сочетания. При амплитудном режиме удается добиться большей дальности действия РЛС и определять цели, движущиеся с нулевой радиальной скоростью. Такой метод обычно используется для обзора в дальней зоне, где нет мешающих отражений. Когерентный режим применяют в ближней зоне обзора, где много мешающих отражений.

Для снижения пиковой  мощности передатчиков РЛС используются сложные сигналы, которые обеспечивают достаточную точность и разрешающую способность. При этом приходится усложнять аппаратуру. Однако в данном случае компромисс вполне оправдан, так как позволяет обеспечить требуемую дальность обнаружения и не иметь высокого значения пиковой мощности.

Во многих современных  РЛС используются фазированные антенные решетки (ФАР), в том числе активного типа, в каждую ячейку которых встроены свой передатчик и входные цепи приемника. Это, конечно, усложняет конструкцию станции и ее обслуживание, однако позволяет снизить потери при передаче и приеме, повысить возможность работы станции в сложной обстановке, в том числе в условиях искусственных помех. Вместе с тем включение в ФАР приемопередатчиков - один из важных способов повышения надежности РЛС. Даже при выходе из строя нескольких модулей передатчиков и приемников РЛС продолжает работать.

 

 

 

Рис.13

Мобильная РЛС кругового  обзора с фазированной антенной решеткой

 

Непременным качеством  современных РЛС является сохранение в течение достаточно длительного времени и в разных погодных условиях стабильности функционирования приемной аппаратуры. Такую задачу помогло решить внедрение в радиолокацию устройств цифровой обработки сигналов.

Важным требованием  к современным РЛС обнаружения является их мобильность. Они рассчитаны на движение своим ходом по различным дорогам. На их свертывание и развертывание уходит от 5 до 15 минут. Здесь конструкторам пришлось пойти на резкое ограничение массы и габаритов РЛС. Решить эту задачу во многом удалось без ухудшения основных параметров по дальности, точности, зоне обзора, темпу обзора и т.д. Как выглядит современная радиолокационная станция обнаружения? Одним из ее главных элементов стала фазированная антенная решетка (рис.13). Она вращается и формирует обычно несколько лучей на прием и один луч на передачу. Принимаемые сигналы усиливаются, а затем преобразуются в цифровую форму. Дальнейшая обработка информации идет в цифровом виде с помощью элементов вычислительной техники. РЛС фактически в автоматическом режиме обнаруживает цели, измеряет координаты, определяет параметры трассы движения. Оператор почти полностью освобожден от рутинной работы. Его функции состоят в том, чтобы в необходимых случаях выбрать требуемый режим работы РЛС, т.е. помочь в ее адаптации к обстановке и поддерживать работоспособность РЛС. Несмотря на общие закономерности построения радиолокационных станций по своему назначению, они весьма разнообразны. Например, современные РЛС обнаружения бывают большой, средней, малой дальности; двух- и трехкоординатные; мобильные, подвижные, стационарные и, наконец, для обнаружения на малых и на больших высотах.

Что вкладывают создатели  радиолокационных систем в понятие "современная РЛС"? Во многом оно оценивается критерием "эффективность-стоимость" и может быть выражено отношением, в числителе которого - обобщенные тактико-техническая характеристика станции, а в знаменателе - ее стоимость. При такой оценке упрощенные РЛС будут иметь невысокий показатель за счет малого числителя, а переусложненные - невысокий показатель за счет большого знаменателя. Оптимальное отношение для современных РЛС соответствует определенной совокупности примененных при ее создании научно-технических достижений, которые позволяют повысить ее возможности, причем достижений, технологически освоенных в производстве и поэтому приемлемых в экономическом плане. И наконец, понятие "современная РЛС" еще совсем необязательно означает, что она имеет по всем параметрам лучшие показатели, достигнутые мировой радиолокационной техникой. В каждую конструкцию станции должен включаться такой набор технических новинок, который наилучшим образом позволил бы ей обеспечить требуемую совокупность характеристик. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что при функциональной схожести и многоотраслевом характере современных РЛС они, как правило, значительно отличаются друг от друга. В РЛС обнаружения, в зависимости от их назначения, применяются антенны от единиц до сотен квадратных метров, средняя излучаемая мощность составляет от сотен ватт до единиц мегаватт.

 

 

 

Рис.14

Трехкоординатная РЛС  кругового обзора метрового диапазона

 

Естественно, проблемы совершенствования  радиолокационных систем сегодня решаются на базе последних достижений механики, электромеханики, энергетики, радиоэлектроники, вычислительной техники и т.д. Все это говорит о том, что создание современных РЛС является сложной научно-технической и инженерной задачей. Среди радиолокационной техники, которая появилась в последнее время, особенно выделяются своей надежностью и высокими функциональными характеристиками радиолокаторы военного назначения. К ним можно отнести РЛС для обнаружения средств нападения, многие из которых характеризуются малой отражающей поверхностью, выполненной по так называемой технологии "Стелс" ("Невидимка"). Нападение осуществляется на фоне искусственных активных и пассивных помех радиолокационному обнаружению. При этом атаке подвергается и сама РЛС: по сигналам, которые она излучает, на нее наводятся противорадиолокационные ракеты (ПРР). Естественно поэтому, что радиолокационный комплекс, решая свои основные боевые задачи, должен иметь и средства защиты от ПРР.

 

 

Рис.15

Мобильная автоматизированная РЛС обнаружения низколетящих целей

 

Отечественная радиолокация добилась заметных успехов. Ряд созданных  в России радиолокационных систем является нашим национальным достоянием и находится на уровне мировых. К их числу вполне можно отнести РЛС метрового диапазона волн, в том числе трехкоординатные станции. Очевидно, более подробно стоит познакомиться с возможностями одной из новых наших трехкоординатных станций кругового обзора, работающей в метровом диапазоне (рис.14). Она выдает информацию о местонахождении объекта в виде трех координат: по азимуту - 360°, по дальности на расстоянии до 1200 км и по высоте - до 75 км. Преимущества таких станций, с одной стороны, - неуязвимость для снарядов самонаведения и противолокационных ракет, обычно использующих более коротковолновые диапазоны, а с другой - способность обнаруживать самолеты "Невидимки". Ведь одна из причин "невидимости" этих объектов - их специальная форма, имеющая малое обратное отражение. В метровом диапазоне эта причина исчезает, так как размеры самолета сравнимы с длиной волны и его форма уже не играет решающей роли. Невозможно также, не ухудшая аэродинамику, покрыть самолет достаточным слоем радиопоглощающего материала. Несмотря на то что для работы в этом диапазоне требуются антенны больших габаритов, что станции имеют некоторые другие недостатки, указанные преимущества РЛС метрового диапазона предопределили их развитие и растущий интерес к ним во всем мире. Несомненным достижением отечественной радиолокации можно назвать работающие в дециметровом диапазоне волн РЛС для обнаружения целей, летящих на малых высотах (рис.15). Такая станция на фоне интенсивных отражений от местных предметов и метеообразований способна обнаружить цели на малых и предельно малых высотах и сопровождать вертолеты, самолеты, дистанционно пилотируемые аппараты, крылатые ракеты. В автоматическом режиме она определяет дальность, азимут, эшелон высоты и трассу. Вся информация может быть передана по радиоканалу на расстояние до 50 км. Характерной особенностью станций, о которых идет речь, является их высокая мобильность (малое время развертывания и свертывания) и возможность простым способом подъема антенн на высоту 50 м, т.е. над любой растительностью. Эти и подобные им РЛС по многим своим характеристикам не имеют аналогов в мире.