Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

А.М. ГОЛИК

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ

РАЗВЕДКИ ОГНЕВЫХ ПОЗИЦИЙ

Часть 1

1997

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с З0-х годов, когда у нас в стране и за рубежом начали создаваться первые об-

разцы РЛС, и по сегодняшний день радиолокация вообще и военная радиолокация в частности

прошли путь от первых простейших "радиоулавливателей самолетов" с очень ограниченными воз-

можностями до современных многофункциональных РЛС с фазированными антенными решетками

(ФАР), которые позволяют обнаруживать и сопровождать средства поражения в условиях сложной

помеховой обстановки практически на любой дальности — не только на расстоянии прямой види-

мости, но даже и за радио горизонтом [1, 2].

Первые образцы РЛС разведки огневых позиций противника и контроля стрельбы своей

артиллерии (РКС) появились на вооружении РВ и А после Великой Отечественной войны. В 1950

году была принята на вооружение станция АРСОМ-1 (артиллерийская радиолокационная станция

обнаружения минометов). Затем появились ее модификации: АРСОМ-2 (1956 г.) и АРСОМ- 2п

(1958 r.). В 1978 году был создан артиллерийский радиолокационный комплекс APK-I.

Необходимость постоянного совершенствования РЛС разведки oгнeвыx позиций (РОП)

обусловлен непрерывным развитием средств огневого поражения и способов их применения, а

также непрерывным наращиванием средств радиоэлектронного подавления, дезориентации и ог-

невого подавления РЛС.

Анализ возможностей полевой артиллерии развитых госyдарств и условий ее разведки с

помощью РЛС показывает, что а связи с ростом дальнобойности, маневренности, могущества бое-

припасов и скорострельности артиллерии, а также в связи с использованием автоматизированных

систем управления (АСУ) ее огнем на первое место в контрбатарейной борьбе выступает фактор

времени. В этих условиях наиболее эффективно могут вести разведку и контроль стрельбы лишь

работающие в комплексе со средствами АСУ огнем артиллерии многоканальные РЛС РОП, позво-

ляющие практически одновременно обслуживать несколько объектов наблюдения и обладающие

вследствие этого высокой npопускной способностью. Именно значительное повышение пpопyскной

способности послужило главной причиной использования в полевой артиллерии многоканальных

РЛС, рассмотрению принципов функционирования которых и посвящены материалы настоящего

пособия.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Термины и

определения. Классификация

В любой РЛС так же, как и в системе связи имеется радиолиния, по которой передается

информация об объекте наблюдения (ОН). В данном случае источником сообщений является ОН.

«подсвеченный» зондирующими сигналами РЛС. Информационный канал РЛС представляет со-

бой совокупность устройств и физических средств, передающих сигналы от источника сообщений к

устройствам обработки этой информации. Элементами информационного канала кроме среды

распространения электромагнитной энергии могут также быть усилители, фильтры, линии задерж-

ки, корреляторы и Т.П.

М н о г о к а н а л ь н о й называется РЛС, обеспечивающая практически oдновременнoe

получение информации о нескольких ОН, находящихся в зоне ее обзора. Отдельные элементы

многоканальной РЛС (МРЛС), например усилители, могут быть общими для нескольких каналов

(4).

Из определения следует, что наличие в РЛС мнoгoканальных систем (устройств) обработки

сигналов не является достаточным условием многоканальности станции в целом. Г л а в н ы м

к р и т е р и е м многоканальности РЛС является ее способность выполнить свое функциональное

назначение в полном объеме (без каких либо ограничений) при одновременном обслуживании не-

скольких ОН. Одновременное обслуживание ОН предполагает одновременное прохождение по

системам РЛС информации о нескольких ОН. При таком подходе довольно легко можно класси-

фицировать РЛС по признаку одно- или многоканальная. При этом способ излучения эффекта

многоканальности и внутренняя структура РЛС не имеют значения.

Классификация многоканальных

РЛС в зависимости от вариантов их построения приведена

на рис.

1. Здесь в соответствии с терминологией работы [6] считается, что при п а с с и в н о м со-

провождении координаты

ОН измеряются «на проходе» (т.е. без остановки луча антенны) по пач-

ке отраженных импульсов.

Рис. 1

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

При а к т и в н о м сопровождении луч

антенны в заданные моменты времени направля-

ется на

ОН, положение которого экстраполировано по результатам предыдущих измерений.

Если для обзора области пространства

МРЛС вынуждена сканировать главным максиму-

мом диаграммы направленности

(ДН) антенны (т.е. ее лучом), то такая станция может быть отне-

сена к системам с в

р е м е н н ы м разделением каналов [3].

Несканирующие МРЛС, осуществляющие параллельный обзор области пространства диа-

граммой направленности антенны, состоящей из множества равнозначных максимумов (парци-

альных диаграмм), относят к

МРЛС с п р о с т р а н с т в е н н ы м разделением каналов (5).

Известны также и комбинированные системы, использующие п р о с т р а н с т в е н н о –

в р е м е н н о е разделение каналов (многолучевые сканирующие

РЛС).

Таким образом, можно выделить два основных пути получения эффекта многоканальности

РЛС (все остальные являются их комбинацией).

Первый путь предполагает обеспечение раздельного прохождения данных о множестве ОН

на базе несканирующих РЛС параллельного обора (с пространственным разделением каналов).

Второй путь предполагает ИСПОЛЬЗ0вание метода временного разделения каналов, когда

одна радиолиния "передатчик - луч антенны - приемник" периодически и кратковременно задейст-

вуется для излучения информации от нескольких ОН. Возможность практически одновременного

получения данных от множества

ОН в режиме разделения времени базируется на известной тео-

реме Котельникова [ 7].

Метод временного разделения каналов давно и успешно используется в системах управ-

ления объектами, в связи и телеметрии [4]. В вычислительной технике разделение каналов полу-

чило название мультиплексирования (от английского слова - multiplexiпg). При этом под мультип-

лексированием понимается разбиение средств передачи данных на два и более каналов. Мульти-

плексирование осуществляется либо путем разделения полосы частот линии связи на узкие под-

полосы, образующие отдельный канал (т.е. разделением частоты), либо путем поочередного ис-

пользования общей линии связи (т. е. квантованием по времени) (8).

Особенностью метода временного разделения каналов в радиолокации является то, что за

счет сканирования луча антенны и соответствующей обработки сигналов с помощью одной радио-

линии обеспечивается многоканальность РЛС в целом — независимое практически одновремен-

ное прохождение информации от множества пространственно разнесенных источников (объектов

наблюдения) к устройствам ее обработки и (или) к потребителю (потребителям). При этом важ-

нейшую роль коммутатора, распределяющего информацию по каналам, играют сканирующий луч

антенны и компьютер, осущeствляющий управление характеристиками излучения, а также обра-

ботку поступающей информации.

Из рис. 1 видно, что между первым и вторым способами получения эффекта многоканаль-

ности РЛС есть и другие, являющиеся в некотором роде их компромиссными вариантами. Так, для

одновременного обзора всей зоны действия РЛС и сопровождения множества целей требуется

иметь большое количество лучей антенны, что приводит к дорогой и громоздкой аппаратуре. В то

же время использование одного луча антенны (одной радиолинии) в режиме временного разделе-

ния каналов не всегда обеспечивает заданные характеристики РЛС. Поэтому требуемые техниче-

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

ские характеристики МРЛС получают за счет увеличения количества лучей антенны и ис-

пользования одновременно с этим режима временного разделения каналов.

В наиболее распространенных типах РЛС с электроннолучевыми индикаторами (растро-

выми или кругового обзора) информация о множестве объектов наблюдения (ОН) доходит одно-

временно только до индикатора. Оператор, являясь очередным и часто завершающим звеном об-

работки поступающих данных, может обеспечить съем текущих координат, как правило, только

одного ОН. Поэтому оператор в системе обработки радиолокационной информации является "уз-

ким местом", что и предопределяет одноканальность, а в связи с этим и низкую пропускную спо-

собность таких РЛС.

Для ликвидации этого недостатка в РЛС 50-60-х годов устанавливались дополнительные

рабочие места операторов, обеспечивая тем самым съем координат одновременно нескольких

движущихся ОН. Таким образом, увеличение количества рабочих мест операторов позволяло по-

лучить новое качество — многоканальность РЛС [5].

С развитием методов автоматического обнаружения ОН, цифровой обработки радиолока-

ционной информации, вычислительной техники, а также ее математического и программного обес-

печения стало возможным возложить функции операторов на введенный в состав РЛС компьютер.

Структура такой РЛС имеет вид, представленный на рис. 2. Теория обработки информации в РЛС

данного типа достаточно подробно рассмотрена в [9].

Рис.2

Антенна радиолокатора осуществляет обзор пространства с периодом Т

. Передатчик ге-

нерирует зондирующие импульсы с периодом Т

«Т

, зависящим от дальности действия РЛС. На

выход приемника поступает напряжение у ( t ), представляющее собой смесь сигнала и помехи. В

процессе сканирования происходит естественная дискретизация координат по времени t.

Содержащийся в смеси у (t) полезный сигнал х(t) несет в себе информацию обо всех ОН,

находящихся в зоне действия РЛС. Данные от каждого ОН периодически поступают на обнаружи-

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

тель. В момент прохода луча антенны через ОН на выходе приемника появляется группа отстоя-

щих друг от друга на время Т

импульсов. Их амплитуда промодулирована в соответствии с харак-

теристикой направленности антенны. Эти группы импульсов (пачки) повторяются с периодом Т

В задачи обнаружителя входят принятие решения о наличии или отсутствии полезного сиг-

нала, группирование сигналов, принадлежащих одному ОН, и передача их в РЛС для дальнейшей

обработки. В последнее время обнаружитель, как правило, реализуется на цифровых устройствах.

Компьютер осуществляет обнаружение траекторий и сопровождение ОН. Кроме того, он

управляет режимами работы передатчика, приемника и обнаружителя, готовит данные о сопрово-

ждаемых ОН для выдачи потребителю через аппаратуру передачи данных (AПД) и на соответст-

вующие устройства отображения.

В рассмотренной МРЛС·пассивного слежения для измерения координат ОН по углу места

необходимо производить винтовой обзор пространства, либо осуществлять быстрое сканирование

в угломестной плоскости. С целью одновременного обзора всего сектора по углу места может ис-

пользоваться антенна с парциальной ДН.

Один из возможных вариантов такой РЛС рассматривался в [10]. Энергия передатчика че-

рез распределительное устройство поступает в несколько вертикально расположенных рупоров

двухзеркальной антенны. Это позволяет сформировать парциальную ДН, перекрывающую весь

сектор обзора по углу места. Отраженные от целей сигналы через рупоры и распределительное

устройство поступают в приемники, число которых равно числу рупоров. В зависимости от угла

места ОН отраженный сигнал принимается той или иной парой рупоров и поступает в соответст-

вующие приемные каналы. Грубое значение угла места ОН определяется по приемникам, на вы-

ходе которых появились сигналы. Точное измерение угла места ОН обеспечивается моноимпульс-

ным методом. Обнаружение траекторий, сопровождение ОН и некоторые функции управления

РЛС также возлагаются на компьютер. Координаты вновь обнаруженных и сопровождаемых целей

выдаются с помощью компьютера на дисплей оператора, печатающее устройство или в каналы

связи – потребителям.

Многоканальность рассмотренной РЛС с парциальной ДНА по углу места обеспечивается

совместно как многоканальной системой измерений угла места, так и режимом разделения време-

ни при азимутальном сканировании. При неподвижной в азимутальной плоскости антенне РЛС

сможет сопровождать несколько ОН до тех пор, пока они находятся в пределах луча по азимуту.

Парциальная ДНА позволила лишь исключить сканирование в угломестной плоскости, осущест-

вить параллельный обзор. Это при соответствующем увеличении энергетических затрат обеспе-

чивает улучшение характеристик РЛС.

Использование электрического управления лучом только по углу места [11] позволяет реа-

лизовать активный способ слежения за целью, однако в этом случае существенным ограничиваю-

щим фактором является постоянная скорость сканирования антенны по азимуту.

Электрическое управление лучом антенны МPЛС по двум координатам позволяет производить

обзор пространства в любой последовательности, зондировать отдельные направления сколь

угодно долго или не зондировать вообще. Луч антенны может быть ориентирован в любую точку

зоны обзора практически мгновенно. Это позволяет организовать гибкие способы поиска и актив-

ный метод сопровождения целей, как при частотном, так и при временном разделении каналов.

Введение частотного разделения каналов часто является необходимым условием исполь-

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

зования в МРЛС нескольких независимых лучей, управление которыми осуществляется электри-

ческим путем. Это условие предполагает довольно сложную конструкцию передатчика и наличие

широкополосных излучателей (либо их комплекта для различных частот излучения) на полотне

антенной решетки (АР) – наиболее популярной антенной системы, реализующей электрическое

управление лучом.

Из всех рассмотренных типов МРЛС в настоящее время наиболее бурно развиваются

станции с электрическим управлением лучом. Для их создания имеется необходимая база - АР и

быстродействующие малогабаритные цифровые вычислительные средства. Высокая стоимость

МРЛС данного типа (главным образом за счет АР) вполне окупается их высокими техническими

характеристиками.

Использование однолучевой АР и временного разделения информационных каналов по-

зволит значительно упростить конструкцию полотна АР и высокочастотных узлов приемной и пере-

дающей систем РЛС по сравнению с многолучевыми сканирующими АР.

Анализ возможных вариантов построения МРЛС показывает, что эффект многоканально-

сти при минимуме материальных затрат можно получить при использовании временного разделе-

ния каналов. В этом случае МPЛС будет иметь приемлемые для мобильных средств разведки га-

бариты и вес.

Особенности конструкции антеныx систем МРЛС с времeнным разделением каналов

Реализация активного сопровождения ОН предполагает использование АР - сложной ан-

тенной системы, представляющей собой совокупность излучающих элементов, расположенных в

определенном порядке и возбуждаемых одним или совокупностью когерентных источников. Суще-

ствует достаточно большое количество вариантов построения АР [12, 13]. Поэтому рассмотрим

лишь типы АР, используемых в мобильных радиолокационных комплексах.

Управление положением главного максимума диаграммы направленности (ДН) АР (т.е. по-

ложением ее луча) может осуществляться либо путем изменения фазы токов возбуждения ее из-

лучающих элементов при постоянстве частоты излучения, либо путем изменения только частоты

излучения.

В первом случае осуществляется ф а з о в о е сканирование луча, а АР, его реализующая,

называется ф а з и р о в а н н о й антенной решеткой (ФАР).

Во втором случае управление осуществляется путем изменения только частоты излучае-

мого сигнала. Такое сканирование называется ч а с т о т н ы м.

Преимущества частотного сканирования заключается в том, что его техническая реализа-

ция позволяет использовать достаточно простые АР. В то же время приемное и передающее уст-

ройства РЛС значительно усложняются, так как она работает в режиме непрерывной перестройки

частоты. Кроме того, частотное сканирование не позволяет осуществить независимое управление

лучом по двум координатам. Поэтому наибольшее применение в мобильных PЛС с АР нашло

фазовое сканирование луча. В отдельных случаях применяется к о м б и н и р о в а н н о е скани-

рование: фазовое по одной угловой координате и частотное по другой.

По виду возбуждения различают ФАР с пространственным и с фидерным возбуждением.

Возбуждение излучающих элементов ФАР посредством соединенных с ним фидеров (вол-

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

новодов, коаксиальных кабелей, микрополосковых линий передачи либо их комбинации) называ-

ется ф и д е р н ы м. Достоинство фидерного возбуждения состоит в том, что на его основе может

быть получена весьма компактная жесткая конструкция. Однако создание таких антенн встречает

весьма серьезные технологические трудности, связанные с необходимостью согласования СВЧ-

тракта при наличии большого количества делителей мощности.

П р о с т р а н с т в е н н о е в о з б у ж д е н и е ФАР предполагает ее облучение первич-

ным облучателем (например рупором — рис. З). При этом ФАР с пространственным возбуждени-

ем называется о т р а ж а т е л ь н о й, если у нее прием электромагнитных колебаний от первично-

го облучателя и их излучение в пространство осуществляется одними и теми же излучающими

элементами (рис. 3, а). Добиваясь уменьшения затенения полотна такой ФАР, ее облучатель вы-

носят из поля отражателя (рис. 3,б).

Рис.3

Если же прием электромагнитных колебаний от первичного облучателя производится од-

ними, а излучение в пространство другими излучающими элементами, то такая ФАР носит назва-

ние п р о х о д н о й (рис. 4).

Рис.4

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

Для преобразования сферического фронта волны первичного облучателя в плоский фронт

в зеркальных антеннах используют специальную форму отражателя( например, параболоид вра-

щения). В ФАР с пространственным возбуждением с этой целью осуществляют так называемую

к о л л и м а ц и ю, которая представляет собой компенсацию разностей хода луча от первичного

облучателя до излучающих элементов антенной решетки.

Формирование суммарно-разностной ДН для моноимпульсного измерения угловых коорди-

нат в ФАР с пространственным возбуждением обеспечивается точно так же, как и в зеркальных

антеннах — специальной конструкцией первичных облучателей. [17]. В решетках же с фидерным

возбуждением для этой цели используются специальные схемы [18], обеспечивающие общее воз-

буждение излучающих элементов ФАР при работе РЛС на передачу и раздельную канализацию

энергии от излучающих элементов правой и левой половины, а также верхней и нижней половины

полотна ФАР угловым дискриминаторам при работе РЛС на прием.

Управление лучом АР в конечном итоге сводится к управлению амплитудно-фазовым рас-

пределением (АФР) на ее раскрыве, т.е. к управлению амплитудами и (или) фазами токов возбуж-

дения излучающих элементов. Такое управление АФР реализуется с помощью системы управле-

ния лучом (СУЛ), в состав которой входят каналы управления, число которых равно или кратно

количеству излучающих элементов, а также вычислитель фаз.

Под каналом управления ФАР понимаете я часть СУЛ обеспечивающая управление фазой

радиосигнала, поступающего к излучающему элементу ФАР.

Если в состав каналов управления ФАР включены активные элементы (усилители, генера-

торы), то такая ФАР называется а к т и в н о й. В противном случае ФАР носит название

п а с с и в н о й.

В состав канала управления пассивных ФАР входят: фазовращатель, устройство управле-

ния фазовращателем [14]. В антенных решетках, использующих как управление фазой, так и

управление амплитудой токов возбуждения излучателей, в состав каналов управления, кроме то-

го, могут быть включены управляемые усилители или аттенюаторы, коды команд управления ко-

торыми также вырабатываются командным устройством СУЛ [15, 16].

Вычислитель фаз принимает от бортового компьютера информацию о требуемом угловом

положении луча ФАР и рассчитывает коды команд управления фазовращателями m-й строки n-го

столбца в соответствии с алгоритмом:

= Δφ Еnt{[ φ

—

нач

] / Δφ + 0,5}+ φ

нач

, (1)

где φ

нач

— начальное фазовое распределение, которое может быть нелинейной или слу-

чайной функцией координат излучателей;

Δφ — дискрет управления фазой;

Еnt{а} — определение целой части числа а;

— требуемая фаза тока возбуждения m,n-го излучателя ФАР для заданного положе-

ния луча, рассчитываемая вычислителем фаз в соответствии с выражением

= k(n d

соs Ө

+ m d

соs Ө

у0

), (2)

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997

где соs Ө

и соs Ө

у0

— направляющие косинусы главного максимума ДН ФАР;;

и d

— расстояния между излучателями ФАР по оси х и у соответственно;

k =2π/λ — волновое число;

λ — рабочая длина волны МРЛС.

Процесс вычисления может быть значительно ускорен за счет использования вычислите-

лей в каждом из независимо управляемых фрагментов ФAP (подрешеток), т.е. путем распаралле-

ливания этого процесса.

3начительно упростить техническую реализацию СУЛ позволяет использование так назы-

ваемого строчно-столбцового способа формирования команд управления фазовращателями, при

котором выражение (2), определяющее порядок расчета фаз, приводится к виду

= φ

+ φ

, (3)

где φ

и φ

— фазы токов возбуждения излучателей m-й строки и n-го столбца соответ-

ственно:

= k m d

соs Ө

у0

; (4 )

= k n d

соs Ө

. (5)

Значения фаз, сформированные в вычислителе в соответствии с выражением (1), устанав-

ливаются в каналах управления пассивных ФАР с помощью фазовращателей.

Число каналов управления в случае разбиения полотна ФАР на под решетки не может

быть равным числу излучающих элементов.

В настоящее время наиболее часто используются полупроводниковые и ферритовые фа-

зовращатели, которые, в свою очередь, также подразделяются на проходные и отражательные

[13].

Принцип работы полупроводниковых фазовращателей основан на взаимодействии волны,

распространяющейся по линии передачи CBЧ, с включенной в нее комплексной нагрузкой, сопро-

тивление которой изменяется под воздействием управляющего сигнала. В качестве управляемой

комплексной нагрузки чаще всего используются p-i'-n-диоды, сопротивление которых изменяется в

зависимости от величины и полярности приложенного управляющего напряжения, а также поле-

вые транзисторы.

Принцип работы ферритовых фазовращателей заключается в том, что под воздействием

внешнего постоянного магнитного поля изменяется магнитная проницаемость феррита (ферро-

магнитного материала, способного намагничиваться в слабом магнитном поле).

Варианты конструкций фазовращателей достаточно подробно описаны, например в [13-16].

Управление фазовращателями может быть аналоговым и дискретным. При аналоговом

управлении осуществляется плавное изменение фазового сдвига радиосигнала пропорциональ-

ное величине управляющего напряжения (тока). Недостатками этого способа управления являют-

ся низкая стабильность, большое потребление энергии, а также сложность, значительные габари-

ты и вес управляющего устройства. Поэтому в настоящее время практически во всех РЛС с ФАР

используется дискретное управление АФР на ее раскрыве.

Голик А.М. Многоканальные радиолокационные станции разведки огневых позиций. МО. 1997