Особенности загоризонтных радиолокаторов

Ракеты различного назначения являются, в настоящее время, одним из основных видов современных вооруженных сил. Как средства воздушно-космического нападения баллистические ракеты (БР) имеют ряд принципиальных отличий от самолетов как по характеру самого полета, так и по конструкции. Полет ракет происходит в основном (за исключением начального активного участка) по баллистической траектории. Преобладающая часть траектории полета происходит на большой высоте в разряженной атмосфере, где головная часть имеет очень большую скорость полета. Кроме того, головная часть БР имеет сравнительно небольшие геометрические размеры, а следовательно, малую отражающую поверхность, что значительно затрудняет их обнаружение.

Применение БР не зависит от времени года, суток и метеоусловий, запускаться они могут с наземных, подземных, надводных и подводных пусковых установок. Прорыв ракет к целям более вероятен, чем военной авиации, еще и потому, что при вхождении в плотные слои атмосферы траектории могут быть самыми различными.

Головные части БР могут оснащаться различными экранами, что уменьшает отражающую поверхность, а также аппаратурой различного вида помех.

Таким образом, обнаружение БР на траектории полета, распознавание истинной цели и уничтожение боевых частей ракеты представляют собой чрезвычайно сложную задачу.

Для решения названной задачи создаются системы противоракетной (ПРО) и противокосмической обороны (ПКО), которые должны быть обеспечены такими средствами обнаружения, которые смогли бы обнаружить БР и следить за их полетом на всей траектории.

Радиолокационной системой ПРО называется совокупность радиотехнических средств, развернутых на местности по определенному замыслу и предназначенных для радиолокационного обеспечения активных средств.

Элементами радиолокационной системы ПРО являются: радиолокационное поле обнаружения и опознавания воздушно-космических целей, автоматическая система съема и обработки радиолокационной информации, система отображения обстановки и система управления.

Радиолокационная система является одной из главных составных частей на которую возлагается решение следующих задач: обнаружение целей, определение траекторий полета БР. Эти задачи должны решаться в короткий промежуток времени.

Давно известны факты успешной радиосвязи на больших расстояниях, во много раз превышающих дальность прямой видимости. Это объясняется тем, что в верхних слоях атмосферы Земли имеется несколько ионизированных слоев, способных отражать энергию коротких волн. Поверхность Земли также способна отражать электромагнитную энергию. Следовательно, образуется своеобразный волновод. Двигаясь по этому волноводу, радиосигналы после неоднократных отражений от поверхности Земли и ионизированных слоев атмосферы способны распространяться на очень большие расстояния и быть принятым пославшей его станцией.

Скрытые за горизонтом цели удается наблюдать с помощью радиолокаторов декаметрового диапазона волн (3-30 МГц) и не удается наблюдать на более коротких волнах. Дальность скачкообразного распространения составляет от 0,8 до 4 тысяч километров при односкачковом распространении и более 4 тысяч километров при многоскачковом распространении.

Наиболее распространенным механизмом загоризонтного распространения декаметровых волн считается скачковый (рис.9. 1).

Рабочие частоты декаметровых радиолиний ограничены сверху и снизу

где МПЧ – максимальная применимая частота;

НПЧ – наименьшая применимая частота.

МПЧ не должна превышать критическую частоту при наклонном падении, т.е.

,

где - максимальное значение электронной концентрации,

- угол между нормалью к границе слоя ионосферы и лучом (угол падения).

НПЧ зависит от допустимого уровня поглощения в ионосфере, которое увеличивается при уменьшении частоты. Как диапазон рабочих частот, так и ослабление поля зависит от текущего состояние ионосферы, которое меняется от времени суток, сезона года, фазы цикла солнечной активности и нерегулярных возмущений.

Сферическая форма ионосферных слоев допускает рикошетирующее распространение декаметровых волн на большее расстояния (рис.9.2). Такое распространение энергетически более выгодно, по сравнению со скачковым, из-за отсутствия поглощения при отражении от земной поверхности. МПЧ при рикошетирующем распространении существенно больше, чем при скачковом, за счет большого угла падения .

В станциях с прямым рассеянием радиоволн, но работающих не в метровом, а в декаметровом диапазоне, удается получить очень большую дальность обнаружения. В таких стан­циях передатчик и приемник разнесены на тысячи километров. Ан­тенна передающей позиции облучает район цели; излучаемые сиг­налы принимаются на приемной позиции. Если между передающей и приемной позициями в районе, облучаемом сигналами пере­датчика, появляется цель, то характер принимаемых сигналов из­меняется, что и позволяет обнаружить ее. Достоинством указанной станции является выигрыш в энергетике за счет использования сигнала, не отраженного целью обратно, а прямого, переизлученного вперед. Однако следует отметить, что принцип прямого рас­сеяния имеет и ряд недостатков.

Одним из них является малая информативность: станция, со­стоящая из передающей и одной приемной позиций, только обна­руживает цель, но не позволяет определить ее координаты, вклю­чая дальность. Этот недостаток можно устранить использованием не одном, а нескольких приемных позиций с совместной обработ­кой всех результатов наблюдения, но при этом существенно услож­няются' .прием и обработка сигналов. Другое ограничение состоит в том, что для наблюдения за интересующими районами передаю­щая и приемная части станции должны быть определенным образом расположены.

При распространении' радиоволн в среде, в которой коэффи­циент преломления изменяется по высоте, происходит рефракция радиоволн, проявляющаяся в искривлении пути их распростране­ния. Для радиоволн декаметрового диапазона, распространяющих­ся в ионизированной среде — ионосфере, рефракция выражена настолько сильно, что радиоволны отражаются на Землю при даль­ности первого скачка примерно 3000 км. В РЛС обратного рас­сеяния сигналы, отраженные от Земли, возвращаются к излуча­телю тем же путем, который прошел прямой сигнал. Наряду с односкачковым распространение может быть и многоскачковым.

Если на пути распространения радиоволн за пределами горизонта оказывается объект с достаточной отражающей поверх­ностью, то от подобной цели будет получен отраженный сигнал. Вместе с полезным сигналом от цели будут поступать мощные отражения от земной поверхности и от неоднородностей ионосфе­ры, которые при выделении сигнала проявят себя как пассивные помехи. Следует также отметить, что при загоризонтном распро­странении декаметровых радиоволн кроме скачкового механизма может существовать механизм волноводного распространения.

В ЗГ РЛС обратного рассеяния передающие и приемные устройства могут располагаться либо в одном месте (совмещенный вариант), либо на относительно небольшом расстоянии (разнесен­ный вариант). Станции обратного рассеяния способны не только обнаруживать загоризонтную цель, но и определять ее координа­ты. Дальность определяется измерением времени распространения до цели и обратно; для определения угловых координат могут применяться крупномасштабные антенны, обладающие достаточной степенью направленности.

Так же, как ив случае надгоризонтной радиолокации, при загоризонтной радиолокации требуется обеспечить получение инфор­мации о параметрах движения целей за счет приема исоответст­вующей обработки радиосигналов. Однако загоризонтная радио­локация имеет ряд важных особенностей, о которых следует ска­зать более подробно.

По сравнению с традиционными для радиолокации диапазона­ми сантиметровых и дециметровых радиоволн в диапазоне дека­метровых (коротких) волн существенно изменяются условия рас­пространения радиосигналов, причем эти условия сильно зависят от ионосферы.

Декаметровый диапазон заполнен большим числом сигналов связных ирадиовещательных станций, которые влияют на работу загоризонтной РЛС как сосредоточенные по частоте радиопомехи. На некоторых участках диапазона мощность указанных помех может на несколько порядков превышать мощность отраженного сигнала. Кроме того, в этом диапазоне заметно проявляют себя атмосферные помехи, космические шумы и другие активные по­мехи. Поэтому в ЗГ РЛО должны быть приняты специальные ме­ры, чтобы максимально ослабить действие активных помех.

На работу ЗГ РЛС могут сильно влиять также пассивные по­мехи, возникающие за счет отражений от земной поверхности. Эти помехи могут иметь уровень, существенно превышающий уровень полезного сигнала. Поэтому без применения специальных мер ослабления этих помех РЛС работать не может.

Одним из распространенных способов получить большую даль­ность действия в условиях высокого уровня помех является при­менение радиолокационных средств с большим потенциалом, что налагает специфические требования на антенно-фидерные (АФУ),передающие и приемные устройства РЛС. Иногда необходимо просто сменить диапазон работы РЛС, «забитый» помехами. В этом случае требуется, чтобы передающие и приемные устройства обеспечивали возможность быстрой перестройки в ши­роком диапазоне частот работы РЛС, а АФУ сохраняли в задан­ных пределах свои параметры в этом диапазоне.

Одним из основных факторов, определяющих уровень прини­маемого РЛС полезного сигнала, является эффективная отража­ющая площадь объекта наблюдения. Объектами наблюдения для загоризонтной радиолокации могут быть резко выраженные неровности поверхности, такие как горы, города, острова; морская поверхность; самолеты икорабли; стартующие баллистические ра­кеты; области ядерных взрывов; северное сияние; метеоры и дру­гие цели, находящиеся на высотах ниже слоя максимальной иони­зации.

Отмеченные выше особенности загоризонтной радиолокации являются определяющими при выборе технических решений, на базе которых могут быть созданы ЗГ РЛС обнаружения целей.

Антенны ЗГ РЛС должны иметь значительный коэффициент усиления и одновременно обеспечивать быстрое сканирование луча в пределах большой зоны обзора по азимуту. Кроме того, антенны должны допускать управление по углу места и пропу­скать сигналы большой мощности. Одно из наиболее трудно вы­полнимых требований заключается в обеспечении возможности работы антенн в пределах очень широкого диапазона частот, так как необходимы постоянная отстройка от помех и подбор трассы прохождения в зависимости от состояния ионосферы. Желательно также, чтобы уровень боковых лепестков диаграммы направлен­ности (ДН) был возможно ниже. Это общее требование ко всякой антенне является особенно существенным для антенны ЗГ РЛС вследствие высокого уровня помех в декаметровом диапазоне причем, помехи из-за отражений от области северных сияний и метеоров, попадающие в приемное устройство по боковым лепесткам ДН приемной антенны, могут приходить с больших дальностей.

Для получения узкой ДН рассматриваемые антенны должны иметь большие размеры; вследствие этого длина антенного полот­на может составлять несколько сотен метров.

Приемное устройство ЗГ РЛС вынуждено работать в очень сложных условиях. В первую очередь это обусловлено высоким уровнем как активных (от радиостанций), так и пассивных по­мех за счет отражений от Земли и ионосферы. Помимо этого за­метно проявляют себя замирания. Требования к радиоприемным устройствам значительно усложняются также необходимостью обе­спечивать заданные характеристики при работе в широком диапаздне частот.

Непрерывно изменяющиеся условия распространения радио­волн вследствие изменчивости ионосферы, а также быстро меняю­щаяся помеховая обстановка непозволяют получить не только наибольшее возможное, но даже сколько-нибудь удовлетворитель­ное отношение сигнал-помеха при длительной работе на одной фиксированной частоте. Для эффектив­ной работы ЗГ РЛС нужно непрерывно иметь текущее описание условий распространения радиоволн. Кроме того, излучаемый РЛС сигнал и обработка сигнала в приемном устройстве должны быть согласованы с ионосферными ипомеховымиусловиями, су­ществующими в данный момент времени. В связи со сказанным ЗГ РЛС должны представлять собой адаптирующиеся системы.

Информацию о текущей обстановке можно получить с по­мощью тех же методов, которые используются для обеспечения наилучших рабочих условий при коротковолновой радиосвязи. К ним относятся вертикальное зондирование ионосферы, наклон­ное зондирование и текущее определение степени поражения ра­диопомехами той части диапазона, которая для данных условий может быть использована для радиолокации. ЗагоризонтныеРЛС, работающие по принципу обратного рассеяния, обладают возмож­ностями, недоступными для радиостанции связи. Наблюдая за сигналами, отраженными от Земли, можно получить информацию о состоянии ионосферы иоб условиях прохождения радиоволн на трассе, но для этого в состав ЗГ РЛС необходимо включить тех­нические средства, позволяющие сделать выбор области частот, для которой обеспечивается приемлемое затухание на трассе рас­пространения, а также средства, позволяющие выбрать рабочий канал с минимальным уровнем радиопомех.

В качестве примеров приведем некоторые данные об основных характеристиках; которые могут быть достигнуты в декаметровых станциях загоризонтного обнаружения самолетов.

Дальность действия 1000...4000 км; большие дальности могут быть получены за счет многоскачкового распространения, но с ухудшенными характеристиками по сравнению с приводимыми ниже.

Разрешение по дальности — от 2 км ихуже (обычно 20...40 км).

Относительная погрешность измерения дальности 2...4 км для положения одной цели относительно другой, координаты которой измерены той же РЛС.

Абсолютная погрешность измерения дальности 10...20 км обес­печивается в случае правильного определения пути распростране­ния зондирующего и ответного сигналов.

Разрешение по углу определяется шириной луча ДН;оно мо­жетбыть меньше 1⁰, что соответствует линейному размеру 50 км на дальности 3000 км.

Точность по углу обеспечивается образованием нескольких лу­чей (до 10) с достаточно высоким отношением сигнала к помехе. С учетом влияния ионосферы погрешность по углу может состав­лять несколько долей градуса.

Разрешение целей по скорости в РЛС возможно при выделении доплеровских частот 0,1 Гц идаже ниже. На частоте 20 МГц зна­чение 0,1 Гц соответствует разности относительных скоростей 2,7 км/ч.

Уравнение радиолокации

Уравнения радиолокации, используемые для традиционных РЛС, относятся к случаю, когда цель с эффективной площадью рассеяния σ находится на расстоянии R в пределах прямой види­мости от РЛС, имеющей мощность излучения передатчика Р_п, коэффициент усиления передающей антенны G_n и эффективную поверхность приемной антенны A_пр. Указанные уравнения, кото­рые могут быть записаны в различной форме, относятся к надгоризонтной радиолокации. В этих уравнениях учтены потери мощ­ности при распространении радиоволн от передающей антенны до цели и от цели до приемной антенны. Однако в этом случае счи­тают, что распространение радиоволн происходит в пределах пря­мой видимости; отсюда рассматриваемое в уравнениях ослабление мощности при распространении считается обусловленным только сферической расходимостью радиоволн.

В случае загоризонтной радиолокации, когда цель скрыта за пределами горизонта и распространение частично по трассе про­исходит в ионизированном газе ионосферы, потери на трассе име­ют значительно более сложный характер, чем потери за счет сфе­рической расходимости, и обычные уравнения радиолокации ока­зываются непригодными.

Уравнения радиолокации можно представить для отношения мощности принимаемого от цели сигнала Р_пр к мощности шу­ма Р_ш, пересчитанного к входу приемника:

(9.1)

Это уравнение относится к простейшему случаю, когда прием и обработка сигналов осуществляются на фоне флуктуационных шу­мов и не учитывается мешающее действие пассивных помех.

Иногда уравнение радиолокации (9.1) для заданных требова­ний на вероятностные характеристики обнаружения, вероятность правильного обнаружения и вероятность ложной тревоги представ­ляют в виде зависимости максимальной дальности обнаружения от энергетических параметров РЛС. Для этого правую часть уравне­ния (9.1) приравнивают некоторому пороговому значению сигна­ла, при котором обеспечиваются заданные вероятностные харак­теристики обнаружения, и из полученного уравнения находят

(9.2)

Записанное в таком виде уравнение называют уравнением даль­ности радиолокации.

Для надгоризонтной радиолокации распространение радиоволн происходит по прямой, соединяющей радиолокатор и цель; при этом ослабление электромагнитной энергии учитывается множителем W= (4π) ²R⁴ сферической расходимости энергии в прямом и обратном направлениях. Эту величину называют также радиолока­ционным затуханием в свободном пространстве. В отдельных слу­чаях в правую часть уравнения (9.3) вводят дополнительный мно­житель ослабления, который учитывает дополнительные потери на поглощение или рассеяние энергии в атмосфере Земли.

При загоризонтной радиолокации, когда цель скрыта за преде­лами горизонта и распространение происходит в пространстве Земля— ионосфера, затухание радиоволн имеет немонотонный ха­рактер и сложным образом зависит от дальности и высоты цели, характеристик ионосферы и рабочей частоты РЛС.

Рассмотрим основные физические процессы, определяющие мощность принимаемого сигнала цели при загоризонтной радио­локации, ориентируясь главным образом на получение простой интерпретации этих процессов и существенно упрощая при этом их математическое описание.

Пусть в точке 1 (рис. 9.1) на поверхности Земли находится РЛС с антеннами, обеспечивающими направленное излучение. Будем считать, что максимум азимутальной ДН антенны РЛС направлен на цель. Угломестная ДН ориентирована под низкимиуглами,и ее ширина такова, что включает всебя критический угол места γ_кр, выше которого излученная энергия пронизывает ионосферу и теряется в космическом пространстве; при γ<γ_кр излучаемая энергия удерживается ионосферой идалее распространятся в околоземном пространстве. Критический угол места может быть рассчитан в зависимости от параметров ионосферы и рабочей частоты РЛС по формуле

где f_кp — критическаячастота вертикального зондирования ионо- сферы; z_m— высота максимума концентрации слоя F ионосферы; а — радиус Земли.

При выше оговоренных ограничениях можно считать что плотность потока мощности в районе цели, находящейся за горизонтом на расстоянии R и высоте z, будет пропорциональнаP_ПG_П.Такая пропорциональность от G_n может нарушаться, когда критический угол места γ_кр выходит из угломестной ДН антенны РЛС. Плотность потока мощности на дальности R цели с увеличениемG_п при сужении ДН по углу места может при этом даже уменьшаться. Такие условия не являются характерными при нормальной работе РЛС и возникают, когда рабочая частота выбрана неоптимально, т.е. существенно ниже или выше максимально применимой частоты.

Для загоризонтиой радиолокации аналогом урав­нения (9.1) в случае, когда G(γi)=G и А(γi)=А для всех i, j, является формула для отношения сигнал-шум

(9.3)

Здесь

(9.4)

Уравнение (9.3) является обобщением известного уравне­ния (9.1) на случаи, когда мощность принимаемого сигнала обус­ловлена суммой мощностей отдельных составляющих, приходящих в точку приема по разным лучам. Подобный случай характерен для загоризонтной радиолокации.

Коэффициент , входящий в (9.3), представляет со­бой полное радиолокационное затухание на трассе распростране­ния радиоволн, т.е. затухание в прямом и обратном направлениях. Затухание электромагнитной энергии при распространении радиоволн от РЛС до цели W₁₂ за­висит от дальности R. Аналогичная за­висимость от R будет иметь место и для затухания в обратном направлении W₁₂, т.e. от цели до РЛС. Это определяет и харак-Л тер зависимости от дальности R суммарного радиолокационного ' затухания на трассе W.

K соотношению вида (9.3) можно прийти и из других сообра­жений. Предположим, что РЛС облучает цель, эффективная по­верхность рассеяния которой σ. Тогда мощность отраженного сиг­нала Р_пр на входе приемного устройства РЛС можно представить в виде произведения трех сомножителей:

. (9.5)

Первый множитель П_Ц определяет плотность потока мощности, облучающей цель; произведение первого множителя на второй — плотность потока мощности отраженной волны в месте расположения приемной антенны. Умножая полученную величину на эффективную поверхность приемной антенны А_пр, находим мощность отраженного сигнала, поступающего на согласованный вход приемника РЛС. Представим (9.5) в развернутом виде:

Переходя от мощности на входе приемника Р_пр к отношению сигнал-шум по мощности Р_пр/Р_ш, получаем (9.3). Соотноше­ние (9.3) может быть использовано как для однопозиционной РЛС, так и для двухпозицнонной, в которой передающая и приемная антенны разнесены на некоторое расстояние.

Уравнение (9.3) можно рассматривать как уравнение идеального радиолокатора, в котором все параметры выбраны оптималь­ным образом. В реальной РЛС всегда имеются энергетические потери, связанные с несогласованностью фидерных ВЧ трактов, неоптималыюстью обработки сигналов и другими причинами. Эти энергетические потери можно учесть, вводя в (9.3) коэффициент потерь. При этом (9.3) примет вид

, (9.6)

где L — коэффициент потерь.

Преобразуем эту формулу, введя вместо отношения P_пр/P_ш отношение Э_С/N₀, гдеЭ_с- энергия принимаемого сигнала, а N₀=P_Ш/П_Ш(P_Ш — среднеквадратическая мощность шума; N₀ — его спектральная плотность, т. е. мощность шума на единицу шумовойполосы П_ш).

Учитывая, что за время локации цели все величины, входящие в равенство, за исключением Р_п и Р_пр, можно считать по­стоянными, проинтегрируем правую илевую части равенства в пределах длительности облучающего цель сигнала t₃ и отражен­ного от цели принимаемого сигнала t_np, причем примем, что t₃= t_пр= t.Тогда, имея в виду, что

. (9.7),(9.8)

Вместо (9.8) получаем

, (9.9)

где Э_с иЭ_и— энергиипринимаемого иизлучаемого сигналов со­ответственно.

Формула (9.9) получена для отношения сигнал-шум, особен­ность которого состоит в том, что оно не зависит от формы сигнал-шум,т.е. от вида огибающей и способа внутриимпульсноймоду­ляции.