СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПОЗНАВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПОЗНАВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.
К системам вооружения РТВ относятся: системы обнаружения (радиолокационные
комплексы и станции, радиолокационные высотомеры и дальномеры, системы
радиолокационного опознавания), автоматизированные системы управления (комплексы
аппаратуры автоматизации сбора, обработки и отображения информации на КП РТВ),
системы передачи радиолокационной информации.
Радиолокационные системы
обнаружения
предназначены
для
ведения
радиолокационной разведки - обзора воздушного пространства, обнаружения летательных
аппаратов (ЛА), измерения их текущих координат и радиолокационного опознавания,
определения боевого состава воздушных целей. Основными источниками информации о
воздушной обстановке являются радиолокационные комплексы (станции) разведки.
На прошлом занятии говорилось, что принцип активной радиолокации с пассивным
ответом является наиболее универсальным и используется в большинстве
радиолокационных систем разведки. Это объясняется тем, что отражение радиоволн
происходит при любых неоднородностях электрических параметров среды, в которой они
распространяются, и, следовательно, для возникновения отраженных сигналов необходимо
лишь отличие физических свойств облучаемой цели от свойств окружающей среды, или
фона.
По структуре зондирующего сигнала РЛС с пассивным ответом делятся на станции
непрерывного излучения и импульсные.
Большинство используемых в настоящее время в войсках радиолокационных станций
(РЛС) работает в импульсном режиме, т. е. излучает электромагнитную энергию в
пространство и принимает ее от объекта отдельными кратковременными порциями
высокочастотной энергии - импульсами. При этом излучаемые (зондирующие или
запросные) и принимаемые от объекта (отраженные или ответные) импульсы оказываются
разделенными во времени. Благодаря этому импульсный метод радиолокации позволяет
наиболее просто определить расстояние до объекта по времени запаздывания принятого от
объекта импульса относительно излученного, а также иметь в РЛС единственную антенну,
используемую поочередно то на передачу, то на прием. Кроме того, прерывистая структура
импульсных сигналов позволяет применять их временную селекцию (различение импульсов
по времени их возникновения) и за этот счет повысить возможности радиолокационных
систем: разделять по времени сигналы от различных объектов, кодировать сигналы по
временным параметрам, создавать многоканальные линии с временным разделением
каналов и т. п.
Указанные преимущества обусловили широкое распространение импульсных
радиолокационных станций с пассивным ответом.
В состав импульсной радиолокационной станции с пассивным ответом входят
следующие основные элементы (рис. 1.1):
- синхронизирующее устройство (синхронизатор), которое согласует во времени
работу всех устройств РЛС;
- передающее устройство, генерирующее зондирующие радиоимпульсы;
- приемное устройство, усиливающее и преобразующее отраженные радиоимпульсы;
приемно-передающая направленная антенна, излучающая зондирующие и
принимающая отраженные импульсы;
антенный переключатель (переключатель «прием - передача»), который
автоматически подключает антенну или к выходу передатчика (во время генерирования
зондирующих импульсов), или ко входу приемника (в паузах между зондирующими
импульсами, когда приходят сигналы цели);
- линии передачи высокочастотной энергии (фидеры или волноводы), связывающие
через антенный переключатель передатчик с антенной и антенну с приемником;
- индикаторные устройства, при помощи которых операторы осуществляют визуальное
наблюдение и анализ воздушной обстановки, слежение за целями и определение их
координат;
- системы автоматического сопровождения, автоматически измеряющие текущие
координаты целей (в полностью автоматизированных РЛС за индикаторами остаются лишь
вспомогательные функции: по ним производятся, например, наблюдение за воздушной
обстановкой, переход к автоматическому сопровождению выбранных оператором или
назначенных целей, контроль за процессом и результатом автоматического сопровождения,
настройка и проверка станции);
- источник энергии (РЛС, как правило, питаются от автономных источников электри
ческой энергии - собственных силовых агрегатов с дизельными первичными двигателями,
предусматривается возможность подключения РЛС и к промышленным энергосетям).
Основным потребителем энергии в системах активной радиолокации всегда является
передатчик.
Кроме того, станции, как правило, имеют системы синхронный передачи данных
(например, для дистанционного указания положения антенны), силовой следящий привод
антенной системы (для ее вращения по азимуту и углу места при поиске и сопровождении
целей), аппаратуру защиты от помех, контрольно-измерительную аппаратуру и т.п.
Передающее устройство предназначено для создания мощных зондирующих
радиоимпульсов (пакет гармонических колебаний высокой частоты). В передающем
устройстве происходят три основных процесса:
- генерация колебаний высокой частоты (КВЧ);
- усиление колебаний высокой частоты до необходимой мощности;
- управление одним из параметров колебаний высокой частоты (амплитудой, частотой
или фазой).
Генерация КВЧ осуществляется в автоколебательном генераторе. Его называют
возбудителем или задающим генератором (ЗГ), так как он задает (устанавливает) несущую
частоту передатчика.
Управление одним из параметров колебаний высокой частоты по определенному
закону называется модуляцией. Она осуществляется модулятором (М). В передатчике
может быть амплитудная модуляция (AM), частотная модуляция (ЧМ) и фазовая модуляция
(ФМ). Частным случаем амплитудной модуляции является простейшая импульсная
модуляция.
Усиление колебаний высокой частоты в передатчике осуществляется усилителем
мощности (УМ).
Кроме того в передающем устройстве необходимы элементы, обеспечивающие
заданные режимы всей аппаратуры передатчика (система автоматической подстройки
частоты, источники питания, цепи управления, блокировки и сигнализации и др.).
Количественная оценка стабильности частоты передатчика осуществляется при помощи
коэффициента относительной нестабильности. Данный коэффициент равен отношению
максимально допустимого отклонения несущей частоты передатчика к ее номинальному
значению. Чем выше стабильность частоты передатчика, тем меньше коэффициент
-4
-X
относительной нестабильности. Он бывает величиной 1 0 - 1 0 ° .
Приемное устройство предназначено для:
- выделения радиолокационных сигналов из смеси мешающих сигналов и шумов
(предварительная селекция), имеющих место на входе приемного устройства;
- усиления «полезных» сигналов до уровня, обеспечивающего стабильную работу
оконечных устройств;
- преобразования сигналов в форму, пригодную для выделения информации о
параметрах движения целей и ракет.
В РЛС находят применение приемники прямого усиления и супергетеродинные
(основное усиление сигналов производится на промежуточной частоте). Супергетеродинная
схема приемника является наиболее совершенной и наиболее распространенной.
Рассмотрим функциональную схему супергетеродинного приемного устройства. В его
составе имеются:
- входные устройства (ВУ), обеспечивающие связь приемника с антенной и
осуществляющие предварительную селекцию принимаемых сигналов;
- усилитель высокой частоты (УВЧ), предназначенный для избирательного усиления
колебаний полезного высокочастотного сигнала (совокупность ВУ и УВЧ в любом
супергетеродинном приемнике называют преселектором);
- преобразователь частоты, который включает в себя смеситель (См) и гетеродин
(маломощный генератор со стабилизацией частоты) и предназначенный для преобразования
сигнала высокой частоты в сигналы промежуточной частоты для более эффективного их
усиления;
- усилитель промежуточной частоты (УПЧ) обеспечивает основное усиление сигналов
и осуществляет основную частотную селекцию (в УПЧ как правило осуществляется
автоматическая регулировка усиления, обеспечивающая поддержание амплитуды
выходных сигналов на постоянном уровне);
- детектор (Д), преобразующий сигналы ПЧ в сигналы низкой частоты (выделение
огибающей) для работы оконечных устройств приемного устройства;
- усилитель низкой частоты (УНЧ) предназначенный для усиления сигналов до уровня,
необходимого для работы оконечных устройств;
- схема распределения сигналов предназначена для распределения сигналов по элементам
оконечных устройств. Рассмотрим принцип действия приемного устройства.
Принимаемые антенной сигналы через антенный переключатель по линии передачи
поступают на входное устройство приемника и УВЧ, на которых производится
предварительная частотная селекция и усиление принимаемых сигналов. С выхода УВЧ
радиоимпульсы несущей частоты fc поступают на смеситель (См), на который воздействует
также непрерывное гармоническое напряжение вспомогательного маломощного
автогенератора - гетеродина (Г) с частотой /г. На выходе смесителя с помощью резонансной
нагрузки выделяется напряжение только промежуточной (разностной) частоты fnp = fc - fe .
Таким образом, частота заполнения радиоимпульсов понижается до значения f„p,
позволяющего их эффективно усиливать. С выхода смесителя радиоимпульсы
промежуточной частоты поступают на УПЧ. УПЧ обеспечивает основное усиление
сигналов и определяет в целом частотно-избирательные свойства приемника. С выхода УПЧ
усиленные радиоимпульсы поступают на вход детектора (Д), который предназначен для
выделения их огибающей. С нагрузки детектора видеоимпульсы поступают на УНЧ, в
котором они дополнительно усиливаются до уровня, необходимого для работы оконечных
устройств. С выхода УНЧ сигналы поступают на схему распределения сигналов для
распределения по элементам
оконечных устройств РЛС.
Техническими показателями приемных устройств являются:
1. Чувствительность характеризует способность приемника успешно принимать слабые
сигналы. Чувствительностью приемника называется такая величина полезного сигнала на
его входе, при которой обеспечивается выделение полезного сигнала на фоне шумов, т.е.
обеспечивается нормальная работа оконечных устройств РЛС. Чувствительность
радиолокационных приемников часто оценивается коэффициентом шума, который
показывает во сколько раз снижается за счет собственных шумов отношение мощности
сигнала к мощности шумов на выходе приемника по сравнению с тем же отношением на
входе приемника.
2. Частотная избирательность приемника характеризует его способность отделять
полезный высокочастотный сигнал от всех мешающих сигналов (помех), которые
возникают в приемной антенне. Физическая суть частотной избирательности заключается в
преимущественном (избирательном) усилении полезного сигнала. С определенной
точностью судить об избирательности приемника можно по его амплитудно-частотной
характеристике (рис. 1.3), которая наглядно показывает во сколько раз ослабляется
конкретная помеха по сравнению с полезным сигналом в процессе их одновременного
прохождения через избирательный тракт приемника.
3. Полоса пропускания приемника характеризует качество его работы. Чем она шире,
тем меньше искажений претерпевают в нем усиливаемые сигналы. Однако при слишком
широкой полосе пропускания велико влияние внешних помех и внутренних шумов, а они
ограничивают чувствительность приемника. Кроме того, расширение полосы пропускания
приводит к ухудшению избирательности приемника.
Сочетание хорошей избирательности с достаточной полосой пропускания получается в
том случае, когда частотная характеристика приемника близка к прямоугольной.
Полоса пропускания является условным понятием, так как может определяться на
различных уровнях частотной характеристики. Наиболее часто ее определяют на уровне
0,707 от максимального и обозначают 2Afoj (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Пример нормированной АЧХприемника
Антенно-фидерные устройства радиолокационных станций обеспечивают излучение,
прием радиолокационных сигналов. Они включают антенны и фидерные линии,
предназначенные для канализации электромагнитной энергии от передающих устройств в
антенны и принятых сигналов от антенн к приемным устройствам.
Антенные устройства предназначены для направленного излучения и приема
электромагнитных колебаний. В импульсных РЛС, где излучаемые и принимаемые сигналы
разделены во времени, обычно бывает одна приемно-передающая антенна, которая с
помощью антенного переключателя используется поочередно: то на передачу, то на прием.
Главной особенностью радиолокационных антенн является их направленное действие излучение и прием высокочастотной энергии в узких пространственных пучках.
Направленность антенн обеспечивает:
- возможность определения направления на цель (угловых координат) и разрешающую
способность РЛС по угловым координатам;
- увеличение дальности действия РЛС за счет концентрации излучаемой энергии в
направлении на цель;
- пространственную селекцию полезного сигнала в результате преимущественного
приема с направления на данную цель и ослабления мешающего действуя сигналов и
помех, приходящих с других направлений.
Тип антенны определяется назначением и условиями работы РЛС и зависит в основном
от рабочего диапазона (последний обусловливает способ получения направленных свойств,
т. е. конструкцию антенны).
Антенны классифицируются по следующим типам (рис. 1.4): рефлекторные
(зеркальные) и фазированные антенные решетки (ФАР).
Однозеркальные и многозеркальные антенны обычно представляют собой вырезки из
параболоида вращения, форма которых определяется заданным углом раствора диаграммы
направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, диапазоном электромагнитных
волн, избранным способом защиты от помех и другими факторами.
Напротив фокуса антенны располагается облучатель (система облучателей), который
обычно выполняется в виде рупорной антенны. Электромагнитная энергия, выходя из
облучателя, фокусируется антенной и излучается в пространство в виде потока
электромагнитной энергии.
Для обзора пространства (поиска цели), определения угловых координат и
сопровождения движущихся воздушных целей необходимы угловые перемещения
«радиолуча» направленной антенны в пространстве. Эти перемещения производятся или
путем механического вращения антенны вокруг вертикальной (по азимуту) и
горизонтальной (по углу места) осей, или посредством изменения условий формирования
«радиолуча» в неподвижной антенне (перемещение облучателя, наклон малого зеркала или
перемещение облучателя, относительно малого зеркала в многозеркальных антеннах). Оба
способа часто совмещаются, причем, если вращение всей антенны из-за ее значительной
массы происходит медленно и с незначительными ускорениями, то второй способ позволяет
осуществить быстрое периодическое перемещение (сканирование) радиолуча, хотя и в
ограниченном секторе.
Реализация требований, предъявляемых к скорости обзора пространства, к полноте
получаемой о целях информации, к повышению точностных и вероятностных
характеристик РЛС, привела к внедрению антенн с немеханическим качанием луча с
большой остронаправленностью. К числу таких антенн относятся так называемые
фазированные антенные решетки (ФАР).
Фазированной антенной решеткой называют систему излучателей, в которой
формирование и перемещение луча в пространстве осуществляются путем введения
постоянных или переменных фазовых сдвигов между сигналами, излучаемыми или
принимаемыми излучателями.
Кроме решения указанных выше задач ФАР обеспечивают различные способы обработки
радиолокационных сигналов, самонастройку и направленное переизлучение, повышение
излучаемой мощности посредством усилителей (генераторов), устанавливаемых в каналах
отдельных излучателей.
Фазированная антенная решетка состоит из большого числа слабонаправленных
излучателей, установленных в одной прямолинейной или криволинейной плоскости. В
качестве излучателей могут применяться вибраторы, рупоры, спирали, щели и др.
Возбуждение излучателей осуществляется параллельно или последовательно.
Плоские решетки выполняются в виде квадрата или прямоугольника, в узлах
периодической структуры которых установлены излучатели, возбуждаемые одним общим
или автономными возбудителями. Излучающие элементы создают волны, в результате
интерференции которых формируется характеристика излучения. Число излучающих
элементов может достигать десятков тысяч единиц.
Известно, что для получения узкой диаграммы направленности необходимо
преобразовать сферический фронт волны в плоский. Для этого производят изменение
фазовых соотношений волн, распространяющихся в различных направлениях от
облучателя. Для этого используются, установленные в фидерных линиях излучателей,
фазовращающие элементы (фазовращатели), каждый из которых вносит требуемый сдвиг
фазы, в результате чего фронт волны в раскрыве антенны оказывается синфазным. В этом
случае антенна формирует узкий луч (Рис. 1.5).
Если же фазовые соотношения волн изменять по определенному закону, можно
получить требуемый закон перемещения луча в пространстве.
Такие типы антенны применяются на большинстве стоящих на вооружении РЛС.
Техническими показателями антенных устройств являются:
1. Направленные свойства антенны определяются характеристикой направленности
передающей антенны (зависимость напряженности электромагнитного поля, создаваемого
антенной, от направления в равноудаленных от нее точках пространства) и приемной
антенны (зависимость ЭДС сигнала на выходе антенны от направления приема).
Характеристика направленности на излучение и прием идентичны.
Графическое изображение характеристики направленности называется диаграммой
направленности (ДН), она изображается в двух взаимно перпендикулярных плоскостях
(Рис. 1.6).
Величина направленности оценивается шириной ДН (угол раствора главного лепестка
у), это угол , в пределах которого напряженность электромагнитного поля уменьшается в
v 2 раз относительно максимального значения.
2. Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз плотность
потока электромагнитной энергии в данной точке пространства при переходе от
гипотетической ненаправленной антенны к реальной направленной при неизменной
излучаемой мощности. КНД определяется выражением:
3. Коэффициент полезного действия (КПД) - характеризует эффективность антенны
как преобразователя подводимой к ней ВЧ энергии в энергию радиоволн и равен
отношению излучаемой мощности к мощности, поступающей в антенну.
4. Коэффициент усиления антенны - более полная характеристика антенны, так как
учитывает увеличение плотности потока излучаемой энергии вследствие направленных
свойств антенны, так и уменьшение этой плотности из-за потерь энергии, поступающей в
антенну.
5. Частотная характеристика определяется полосой пропускания антенны, под которой
понимают полосу частот, в пределах которой уменьшение напряженности поля в данной
точке происходит BV2 раз.
Рассмотрим принцип действия передающего устройства. Задающий генератор
вырабатывает КВЧ (рис. 1.2 а), которые поступают на усилитель мощности. Для
формирования зондирующего импульса на вход модулятора передающего устройства
подаются синхронизирующие импульсы (рис. 1.2 в,г), вырабатываемые синхронизатором с
частотой следования
который формирует модулирующий импульс (рис. 1.2 д). С выхода модулятора
модулирующий импульс требуемой формы, амплитуды и полярности подается на
усилитель мощности, который осуществляет усиление по мощности КВЧ и с помощью
модулирующих импульсов формирует последовательность зондирующих радиоимпульсов
(рис. 1.2 ё) с соответствующими параметрами. С выхода передатчика зондирующие
радиоимпульсы по линиям передачи через антенный переключатель подводятся к антенне и
излучаются ею в пространство.
Техническими показателями передающих устройств являются:
1. Параметры зондирующего сигнала. Передатчик импульсной РЛС вырабатывает
импульсный
зондирующий
сигнал,
представляющий
собой
периодическую
последовательность радиоимпульсов. Параметрами такого сигнала являются (рис. 1.2 е):
- несущая частота (fc);
- длительность импульса (гм);
- период повторения (следования) импульсов (Ти);
- частота повторения импульсов (число импульсов в секунду) Fu =1 / Т„;
- скважность Q = Ти / tи .
2. Диапазон рабочих волн передатчика. Для повышения помехозащищенности
большинство передатчиков имеет органы настройки, при помощи которых можно изменять
рабочую длину волны (несущую частоту). Перестройка передатчика может быть плавной
или дискретной. При плавной перестройке передатчик может работать на любой волне
заданного диапазона. При дискретной перестройке передатчик работает только на
определенных (фиксированных) волнах.
3. Мощность передатчика. Это есть мощность электрических колебаний, направляемых
передатчиком в антенну. Она может быть от нескольких десятков киловатт до десятков
мегаватт (в зависимости от назначения и дальности действия станции). У передатчиков,
работающих в импульсном режиме, различают мощность в импульсе Ри и среднюю
мощность за период повторения импульсов Рср = Ри/ Q4. Коэффициент полезного действия передатчика. Это есть отношение мощности,
отданной в антенну, к мощности, потребляемой передатчиком от его источников питания.
КПД передатчика определяет его экономичность. У передатчиков большой мощности КПД
бывает 40 - 60%.
5. Стабильность частоты передатчика. Она характеризует допустимое отклонение
несущей частоты передатчика за определенное время его работы в конкретных условиях.