Активные маскирующие помехи и принципы защиты от них

К естественным маскирующим активным помехам можно отнести помехи дискретных источников (Солнца, Луны, радиозвезд и т. д.), которые создают шумы наряду с распределенными в атмосфере и космосе источниками излучений. Практически влияние на работу радиолокационных станций СВЧ диапазона могут оказывать Солнце и в меньшей степени Луна. В последнее время очень важную роль начинают играть взаимные помехи. По мере стремительного увеличения числа используемых радиоэлектронных средств резко возрастает опасность их взаимных влияний. Чтобы устранить эти влияния, практикуется плановое распределение рабочих частот между различными радиоэлектронными средствами как на основе международных соглашений, так и на основе внутренних регламентации в пределах каждой страны, каждой отрасли народного хозяйства и военного дела. Тем не менее, при отсутствии должных мер защиты от взаимных помех наблюдается взаимное влияние радиоэлектронных средств даже с различными рабочими частотами. Последнее имеет место при наличии внеполосных и побочных излучений радиоэлектронных средств.

Внеполосными называются излучения в окрестности номинальной рабочей частоты, выходящие за пределы отведенной полосы частот. К побочным относятся излучения на гармониках, субгармониках, а также комбинационных частотах (в случае использования возбудителя с преобразованием частоты). Наряду с внеполосными и побочными излучениями причиной взаимных помех являются побочные каналы приема в супергетеродинных приемных устройствах. Известно, что при воздействии на смеситель приходящих колебаний частоты f и колебаний гетеродина частоты f_r на выходе смесителя образуются колебания ряда комбинационных частот |nf ± mf_r|. Если какая-либо из этих частот совпадает с промежуточной, на которую настроены последующие каскады приемника, она усиливается и образуется побочный канал приема. Характеристики направленности приемных и передающих антенн для внеполосных излучений, побочных излучений и каналов приема обычно отличаются от характеристик направленности для основных каналов излучения и приема, в первую очередь, значительно большим уровнем боковых лепестков.

Во многих случаях может создаться достаточно сложная обстановка. Действительно, в одном и том же районе передатчики радиоэлектронных средств создают основные, внеполосные и побочные излучения, а приемные устройства этих средств наряду с основными имеют побочные каналы приема. Если основной или побочный канал приема случайно совпадает с основным или побочным каналом излучения и интенсивность излучаемого колебания достаточно велика, может иметь место взаимная помеха, в частности маскирующая.

Так, например, частотно-модулированные и амплитудно-модулированные непрерывные колебания линий связи могут создавать маскирующую помеху импульсным радиолокационным приемникам. Узкополосным допплеровским приемникам маскирующую помеху могут создавать не только линии связи, но даже радиосредства, излучающие импульсы, так как последние растяги­ваются в узкополосных контурах.

Совокупность мер, направленных на исключение взаимных помех, обеспечивает электромагнитную совместимость. Наряду с правильным распределением частот и другими организационными мероприятиями электромагнитная совместимость достигается за счет фильтрации побочных излучений в передающих устройствах, гетеродинных колебаний в приемных трактах, за счет правильного использования условий распространения, особенностей местности, выбора режимов работы радиоэлектронных средств.

В качестве искусственных маскирующих активных помех может быть использовано излучение шумовых колебаний. Шумовые колебания могут преднамеренно создаваться как генераторами с независимым возбуждением, так и генераторами с самовозбуждением, что более экономично, например специальными магнетронами, работающими в шумящем режиме.

При достаточно большом динамическом диапазоне приемника шумовые колебания создают эффект, аналогичный резкому увеличению внутреннего шума, что затрудняет обнаружение и измерение параметров радиолокационного сигнала при больших дальностях до цели. Очень мощные искусственные активные помехи, как и взаимные, могут действовать в принципе и по побочным каналам приема.

Если динамический диапазон приемника недостаточен и имеет место амплитудное ограничение (особенно в последних каскадах УПЧ, после сужения полосы пропускания), отношение сигнал-помеха после ограничителя еще более ухудшается. Это поясняется на рис.4.161, где показано прохождение через ограничитель немодулированной синусоидальной помехи вместе с импульсом сигнала.

Видно, что по мере увеличения интенсивности помехи может произойти полное подавление сигнала. Аналогичный эффект имеет место и в случае воздействия шумовой помехи при недостаточном динамическом диапазоне приемника. Поэтому воздействие маскирующей помехи при малом динамическом диапазоне приемника особенно опасно. Но даже и при очень большом динамическом диапазоне приемника воздействие помехи, эквивалентное увеличению внутреннего шума, может значительно ухудшить или полностью сорвать радиолокационное обнаружение или сопровождение.

Примерный вид зоны обнаружения в случае двух постановщиков помех показан на рис.4.162. Наблюдается сокращение дальности действия по сравнению со случаем отсутствия помех, даже когда помеха действует по боковым лепесткам диаграммы направленности. Наибольшее сокращение дальности действия имеет место в направлении на постановщик помех. В окрестностях направления на постановщик помех могут создаваться секторы эффективного подавления. Степень уменьшения дальности в каждом случае так же, как и ширина сектора подавления, зависит от параметров радиолокатора.

Если аналогичным образом исследовать зависимость дальности от e, то можно убедиться, что не только уменьшается дальность действия, но и снижается потолок обнаружения и поднимается нижняя кромка зоны видимости.

Приведенное рассмотрение касалось РЛС с достаточно большим динамическим диапазоном приемного тракта, например с автоматической регулировкой усиления по уровню помехи. Если это не соблюдается, то наряду с потерей возможности обнаруживать цель на больших дальностях будет теряться возможность обнаружения цели и на малых дальностях, поскольку уровень помехи может превышать уровень ограничения в тракте приемника. Для случая, изображенного на рис.4.162, при отсутствии автоматической регулировки усиления и недостаточном динамическом диапазоне приемника на индикаторе будет наблюдаться картина, показанная на рис.4.163.

Меры защиты от маскирующих активных помех могут быть достаточно эффективными только в том случае, если не происходит подавления сигнала за счет недостаточного динамического диапазона приемника. При этом может быть принят ряд мер, связанных, например, с использованием частотной, пространственной, поляризационной селекции и т. д.

Перейдем к несколько более подробному рассмотрению перечисленных выше возможностей. Увеличение энергии зондирующего сигнала может осуществляться путем повышения мощности и увеличения длительности сигнала. Энергия зондирующего сигнала будет рационально использоваться при приеме только в случае приближения обработки принимаемых колебаний к оптимальной.

Увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на цель, создавая концентрацию полезной энергии, может в то же время замедлить обзор пространства, если такая концентрация будет в равной мере обеспечиваться для всех направлений. В настоящее время развиваются методы управляемого обзора с последовательным анализом, когда время, в течение которого антенна направлена на цель, зависит от условий обнаружения и, в частности, от помеховой обстановки. Особенно широкие возможности для использования программного автоматически управляемого обзора открываются при применении передающих антенн с электронным управлением луча в виде фазированных решеток. Выигрыш при использовании последовательного анализа в случае неодинакового воздействия помех с разных направлений особенно велик (5 – 22 дб).

Известно, что приемная антенна обычно настроена на какую-то определенную поляризацию принимаемого сигнала: линейную, круговую, либо в общем случае эллиптическую. Возможны антенны с регулируемой поляризацией. Если поляризацию антенны установить соответствующей поляризации помехи, эффект воздействия помехи будет наибольшим. Так, например, для вертикальной поляризации помехи воздействие будет наибольшим, если прием ведется на вертикальный вибратор; для круговой поляризации с вращением вектора поля по часовой стрелке эффект воздействия будет наибольшим, если антенна рассчитана на этот же вид поляризации. Зная это обстоятельство, антенну можно тем или иным способом перестроить на ортогональную поляризацию, т.е. для приведенных примеров – на горизонтальную, либо на круговую поляризацию, но с вращением против часовой стрелки. Для эллиптически поляризованной волны ортогональным является также эллиптически поляризованное колебание, но со сдвинутым на 90° положением эллипса поляризации. Во всех указанных случаях можно добиться существенного ослабления помехи. Будет или не будет иметь место при этом соответственно ослабление полезного сигнала, зависит от поляризации колебаний сигнала. Если поляризация колебаний полезного сигнала точно совпадает с поляризацией колебаний помехи, одновременно с помехой и в той же мере будет ослаблен сигнал. Поскольку (даже при нерегулируемой на излучение поляризации) поляризация сигналов, отраженных от реальных целей, случайная, в общем случае не совпадающая с поляризацией помехи, имеются принципиальные возможности ослабить помеху больше чем сигнал.

Для повышения помехозащищенности целесообразно уменьшать коэффициент различимости ν. Уменьшение коэффициента ν достигается за счет приближения приема к оптимальному. При фильтровом приеме это, в частности, означает использование оптимальной частотной характеристики, т. е. оптимальной частотной селекции. Частотная селекция тем более эффективна, чем шире спектр помехи по сравнению со спектром сигнала, т. е. если помеха является заградительной по частоте. В этом случае спектральная плотность мощности помехи при заданной мощности передатчика помех снижается обратно пропорционально полосе частот помехи. Прицельные помехи (с меньшей полосой частот), как правило, более эффективны, но их труднее реализовать. Создание прицельных помех в наибольшей мере затрудняется в случае быстрой перестройки частоты радиолокатора, при многочастотном или широкополосном зондирующем сигнале и т. д. Если полоса частот помехи значительно уже ширины спектра принимаемого сигнала, то результирующий шум нельзя считать белым. В этом случае оптимальной является частотная характеристика с подавлением в полосе частот помехи или, иначе говоря, целесообразно использование различного рода настраиваемых режекторных фильтров для колебаний помехи, что приводит к существенному уменьшению коэффициента различимости ν.

Снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности может заметно ослабить влияние помех и представляет собой самостоятельную задачу, особенно важную в случае внешнего прикрытия. Из теории антенн известно, что снижение уровня боковых лепестков может быть достигнуто за счет увеличения размеров антенны, рационального распределения поля в раскрыве, повышения точности изготовления, снижения влияния переотражений от близлежащих объектов. Повышение избирательности антенны можно отнести к категории улучшения пространственной селекции принимаемых колебаний.

Для улучшения пространственной селекции сигнала на фоне помех, приходящих с отдельных направлений, могут быть также в принципе использованы методы некогерентной и когерентной компенсации помеховых колебаний. Для этого наряду с основной могут быть задействованы дополнительные антенны (в антенне типа фазированная решетка – отдельные элементы этой решетки). Возможности компенсации помех были сформулированы советским ученым Н.Д. Папалекси еще несколько десятилетий тому назад.

Если сигнал, принимаемый дополнительной антенной, компенсирует сигнал, принимаемый по боковым лепесткам основной антенны, после детектора, следует говорить о некогерентной компенсации. Если такая компенсация производится на высокой (промежуточной) частоте, ее можно называть когерентной.

Провалы в характеристике направленности, образуемые за счет когерентной компенсации помех, создают дополнительный резерв пространственной селекции помех, воздействующих как по главному, так и по боковым лепесткам диаграммы направленности. Особенно широкий простор для применения компенсационных методов открывается при использовании приемных антенн в виде фазированных решеток и схем с корреляционными обратными связями.

На рис.4.164 изображена схема с двумя входами, на которые поступают напряжения одной и той же частоты с комплексными амплитудами Uo(t) и Uj(t) (например, от основной и дополнительной антенн).

На сумматоре образуется напряжение

U_Σ(t) = U₀(t) – KU₁(t).

При достаточной корреляции U₀ и U₁ (например, при U₁ = CU₀, где С= const) происходит полная компенсация, т. е. U_Σ(t) обращается в нуль.