Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. 2008

Подождите немного. Документ загружается.

длине волны при однократном распространении. Интенсивность дождя харак-

теризуется толщиной слоя осадков, выпадающих за один час: Q

мм/ч.

Рис. 2.10

Высота дождя п

дж

обычно не превышает 2,5.. .3,5 км. При сплошном дожде

на всем пути распространения волны (рис. 2.8) общий путь с учетом того, что

дальность радиогоризонта равна ПОдУн^ , составляет

Максимальное затухание (потери энергии волны а

дж

) в этом случае

где γ, дБ/км - коэффициент затухания.

Для случая Н

= 9 км и п

дж

= 3 км, Д

дж

= 520 км максимальные затухания

волны при дожде для различных длин волн составляют (затуханием в дожде в

Р-диапазоне (λ=70 см) можно пренебречь):

С)

дж

, мм/ч 2 5 10

Затухание, λ=3 см, дБ 5 50 100

Затухание, λ=10 см, дБ 0,5 2 3

Затухание, λ=30 см, дБ - - 0,2

Более сложные погодные условия, например тропический дождь

№д

- 40 мм/ч), имеют небольшую протяженность и незначительно влияют

на затухание волны в S-, Р-диапазонах. Также мало влияют туман и дым

(γ = 10 дБ/км, протяженность менее 50 км).

В задаче наблюдения наземных малоразмерных целей, находящихся в

сплошном лесу либо за лесопосадками вдоль дорог, решающую роль играет

поглощение волны в кронах деревьев. Степень поглощения зависит от многих

факторов: структуры леса, типа деревьев, влажности, длины волны БРЛС и

длины пути волны в кронах деревьев.

Усредненные по многим данным коэффициенты поглощения γ, дБ/и,

сплошного лесного массива для различных поляризаций (ГП и ВП) приведены

ниже (при одностороннем распространении):

λ, см 3 10 30 70 300

у,дБ/м(ГП) 1,2 0,5 0,2 0,12 0,05

у,дБ/м(ВП) 1,2 0,5 0,22 0,17 0,1

Придорожные посадки деревьев имеют в основном разреженный характер:

в одну - две линии. Поглощение электромагнитных волн в таких посадках за-

висит от типа деревьев, кустарников и густоты посадки. Далее приведены оце-

ночные значения поглощения ЭМВ при двухстороннем распространении

(а

, дБ) для двух типов посадок:

1) для редких деревьев и кустарников;

2) для линии крупных деревьев

λ, см 3 10 30 70 300

,дБ(тип 1) 0,8 0,6 0,4 0,3 0,05

, дБ (тип 2) 2,0 1,3 0,9 0,8 0,1

Потери а

в сплошном лесу определяются высотой крон деревьев, высотой

объекта наблюдения и углом падения ЭМВ. Высота крон в смешанном лесу

= 3... 5 м, и с учетом высоты объекта типа «танк» действующая высота

= 2...4м.

Путь ЭМВ в кронах деревьев сплошного леса

В зоне нахождения объектов лес имеет небольшие поляны и просеки для

расположения и прохода объектов. В этом случае действующий путь в кронах

можно считать равным Д

= 0,5 Д

кр

, а затухание ЭМВ - <х

= уД

В Х-диапазоне потери достигают 25...30 дБ (в сплошном лесу). В деци-

метровом диапазоне (λ = 70 см) поглощение ЭМВ в кронах деревьев уменьша-

ется в 10 раз.

Потери ЭМВ в придорожных лесопосадках невелики - 0,8.. .2,0 дБ.

При распространении ЭМВ в атмосфере с изменяющимся коэффициен-

том преломления возникают ошибки определения дальности и угла места.

В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется от высоты

по экспоненциальному закону. Ошибки по дальности в этом случае достига-

ют 50 м, а отклонение луча в угломестной плоскости - 0,5...1,0°. При из-

вестных метеоусловиях возможен учет этого отклонения при измерении угла

места и цели.

Изменение коэффициента преломления с высотой может быть неравно-

мерным: слоями с различным знаком производной законов изменения. Это мо-

жет вызвать отклонение соседних лучей в различные стороны (вверх и вниз),

образуя мертвые зоны обзора по углу места шириной до 15° [14]. Однако веро-

ятность таких специфических изменений коэффициента преломления обычно

невелика.

Случайные изменения фазы ЭМВ при распространении в атмосфере обу-

словлены случайным пространственным изменением показателя преломления.

Изменением показателя преломления во времени можно пренебречь, так как

время корреляции флуктуации составляет 20... 100 с.

Влияние пространственных изменений показателя преломления обуслов-

лено перемещением носителя РЛС по траектории на расстояние X за время ко-

герентной обработки сигнала.

Разность фаз сигнала ψ на интервале X является гауссовой случайной ве-

личиной, дисперсия которой -

структурная постоянная атмосферы.

На расстоянии X = 150 м СКО фазы может быть равно (эксперимент): в X-

диапазоне - 10° и в L-диапазоне - 1,0°.

В дециметровом и метровом диапазонах поглощение в кронах деревьев

мало, но случайно расположенные деревья вносят случайный набег фазы ЭМВ.

Корреляционная функция фазы в зависимости от разности углов наблюдения

цели β = X/R при перемещении БРЛС по траектории [13]

Дисперсия фазы ϋ

равна 0,026 рад

(зимой) и 0,057 рад

(летом). Интервал

корреляции определяется величинами ψ! =4,910 рад (зимой) и 5,1-10 рад

(летом); ψ

= 2,610 рад (зимой) и 2,810 рад (летом) при λ = 70 см.

2.5. Передающее устройство

Главная задача передающего устройства заключается в обеспечении тре-

буемой средней мощности излучения зондирующего сигнала в когерентно-

импульсном режиме.

В импульсном режиме средняя мощность излучения Р

ср

в Q раз меньше

импульсной мощности:

где - скважность, равная отношению периода повторения Т

к дли-

тельности импульса т

В режиме наблюдения низколетящих целей используются достаточно вы-

сокие частоты повторения: 20...25 кГц и при длительности т

= 1,0 мкс скваж-

ность Q = 40...50. В режиме наблюдения загоризонтных и морских целей ис-

пользуют низкую частоту повторения F = 200...300 Гц, вследствие чего при

той же длительности импульса значительно увеличивается скважность:

Q=5-10 , а средняя мощность резко падает. Для поддержания требуемой сред-

ней мощности увеличивают длительность импульса до 30... 100 мкс, а для

обеспечения разрешения по дальности применяют внутриимпульсную модуля-

цию и сжатие импульса в 100... 150 раз.

Для обеспечения большой дальности действия в передатчике используют

усилительные приборы максимальной выходной мощности. Электровакуумные

приборы (клистроны) имеют наибольшую мощность в S-, Р-диапазонах (до

1,0 МВт). В современных БРЛС они используются в качестве выходного уси-

лителя при импульсной мощности 0,5.. .1,0 МВт и средней мощности 15 кВт.

Для получения мегаваттной импульсной мощности требуется высоко-

вольтное питание клистрона с высокой степенью стабилизации и фильтрации

(90 кВ при флуктуациях менее 1%).

Твердотельные (транзисторные) усилители в S-, Р-диапазонах имеют

среднюю и импульсную мощность не более 100...200 Вт на один транзистор и

используются в перспективных комплексах с АФАР. При числе модулей АФАР

100...500 и использовании длинных импульсов со сжатием средняя излучаемая

мощность может достигать 10...50 кВт при низкой импульсной мощности и

низковольтном питании. Однако необходимо учитывать, что транзисторные

усилители более чувствительны к электромагнитному излучению и высоким

температурам, что требует мощной системы охлаждения.

Вследствие ограничений по температурному режиму передатчика (мощ-

ности системы охлаждения) и ограниченной мощности источников питания,

энергия генерируемого импульса E

= P

имеет свой предел. При превышении

этого предела импульсная мощность излучения падает. Также существует ог-

раничение на минимальную скважность генерируемого сигнала.

Важнейшая характеристика передатчика (с учетом возможности формиро-

вания зондирующего сигнала синтезатором) — ширина полосы частот и время

перестройки несущей частоты при переключении литеров. Чем шире полоса

частот, тем выше помехозащищенность БРЛС. Рабочая полоса частот БРЛС

(диапазон перестройки литеров) определяется условиями электромагнитной

совместимости при одновременной работе многих радиоизлучающих систем в

конкретном диапазоне частот. Так в Х-диапазоне это сотни мегагерц и даже ги-

гагерцы, а в Р-диапазоне - только десятки мегагерц.

Переключение несущей частоты (перестройка литеров) обычно занимает

большое время (миллисекунды), и в перспективных системах решается задача

уменьшения этого времени до единиц микросекунд, что обеспечивает возмож-

ность многочастотного режима излучения БРЛС.

Каждый элемент передающего устройства вносит потери мощности излуче-

ния. Такими элементами являются: соединительные волноводы, вращающийся

переход, фазовращатели, циркулятор, система защиты приемника, фильтры. Об-

щие потери мощности излучения в БРЛС с механическим сканированием антен-

ны достигают 6 дБ. В БРЛС с АФАР большая часть этих элементов и, соответст-

венно, потерь отсутствует (потери 0,5 дБ).

Характеристики БРЛС, прежде всего по наблюдению низколетящих целей,

определяются стабильностью несущей частоты и «чистотой» спектра излучае-

мого сигнала. Медленные, по сравнению с интервалом когерентной обработки

сигнала, изменения частоты, обусловленные температурными уходами, старе-

нием элементов и медленными флуктуациями питающих напряжений, незначи-

тельно влияют на характеристики БРЛС.

Основное влияние оказывают быстрые случайные изменения частоты и,

соответственно, фазы за время когерентной обработки сигнала как при сжатии»

по задержке, так и при доплеровской фильтрации. Разность Δφ фаз на краях

интервала обработки Т

, обусловленную незначительным изменением несущей

частоты, можно считать нормальным случайным процессом с корреляционной

функцией Кф(Т

). Дисперсия разности фаз равна

где σ

- дисперсия фазы несущей частоты.

На рис. 2.11 представлена типовая зависимость (S-диапазон) удельной (на

один герц) дисперсии частоты от расстояния f

, усредненная по харак-

теристикам различных генераторов опорной частоты.

Изменение фазы определяется расстройкой частоты и временем τ

= — :

Соответственно, дисперсия фазы

•

Рис. 2.11

Чем ниже частоты фазовых флуктуации, тем больше R

) и меньше

вклад низкочастотных флуктуации в дисперсию флуктуации фазы несущей

частоты. Однако спектральная плотность фазовых шумов возрастает с

уменьшением частоты, что требует учета всех составляющих спектра фазо-

вых шумов φ.

Наибольшее влияние фазовые шумы оказывают на интегральный уровень

боковых лепестков Р

инт

как сигнала цели, так и мощного сигнала фона, прини-

маемого по основному лучу ДНА. Мощность боковых лепестков (при малых

Δφ

) где Р

инт

оценивается в децибелах, а σ

Δφ

- в радианах.

Так, при СКО разности фаз, равном 6°(0,1 рад), мощность боковых лепестков

Ринт

-20 дБ, что приводит к повышению уровня фона основного лепестка ДН

в зоне приема сигналов.

2.6. Антенная система

Основные требования, предъявляемые к антенной системе АК РЛДН:

максимально возможная площадь апертуры антенны S

;

максимальный коэффициент усиления антенны G;

минимальная ширина ДН по азимуту;

сверхнизкий уровень боковых лепестков ДН как максимального, так и ин-

тегрального;

обеспечение сканирования ДН при круговом и программируемом обзорах;

возможность формирования одновременно нескольких лучей ДН;

широкая полоса частот, как мгновенная, так и при перестройке литеров;

возможность функционирования с учетом размещения антенны на самоле-

те (отражения от элементов конструкции, экранирование излучения, изгибные

колебания фюзеляжа и крыльев, вибрации и перегрузки, температурные изме-

нения, высота полета);

масса антенны.

В современных комплексах РЛДН (например, АВАКС) используются ан-

тенные системы типа плоской волноводно-щелевой решетки, обладающей

большим коэффициентом использования площади (КИП = 0,7.. .0,8).

Решетка размером 7,5x1,5 м размещена в обтекателе 10x2 м, расположен-

ном на пилонах высотой 3,5 м над фюзеляжем самолета. Такая конструкция

обеспечивает максимальный размер апертуры антенны при выполнении боль-

шинства требований.

Больший размер апертуры может быть достигнут при конформной конст-

рукции, например у вдольфюзеляжной антенны, размер которой может дости-

гать нескольких десятков метров по длине и порядка 3...5 м по высоте.

Эффективный размер апертуры определяет коэффициент усиления антен-

ны и ширину ДНА. Коэффициент усиления при заданном размере антенны за-

висит от длины волны, величины потерь энергии в обтекателе и самой антенне,

функции распределения поля по апертуре антенны и ошибок распределения

поля, прежде всего фазовых.

Без учета потерь коэффициент усиления Потери (S-диа-

пазон) в обтекателе (0,8...1,5 дБ) и в волноводах (1,2 дБ) обычно включают в

коэффициент K

уменьшения G

. Функция распределения поля (аподиза-

ция) имеет различный вид. Так, часто используемая функция Хэмминга

(косинус на пьедестале) уменьшает коэффициент

усиления по сравнению с равномерным распределением поля

Фазовые ошибки поля вызывают уменьшение коэффициента усиления на

0,2...0,7 дБ:

где σ

- СКО фазовых шумов.

При заданном размере апертуры чем короче длина волны, тем выше коэф-

фициент усиления. Его максимальное значение ограничено возможностью

обеспечения высокой точности амплитудно-фазового распределения поля по

апертуре в условиях размещения антенны на самолете. Максимальное значение

размера апертуры (в длинах волн) большой бортовой антенны обычно не пре-

вышает 100... 150, поэтому антенна АКРЛДН в S-диапазоне имеет коэффици-

ент усиления не более 33...38 дБ.

Антенны типа фазированной антенной решетки имеют меньшие потери в

соединительных волноводах и обтекателе. Однако дискретное управление фа-

зовращателем вызывает шумы квантования, которые составляют 0,1... 1,0 дБ.

Ширина ДН по азимуту определяет минимальную радиальную скорость

обнаруживаемой на фоне отражений от земной поверхности ВЦ, а также раз-

решающую способность и точность определения угловой координаты азимута.

По углу места ширина ДН определяет зону одновременного обзора по дально-

сти. Для расширения зоны используют либо сканирование ДН по углу места,

либо многолучевую ДН.

Ширина ДН по азимуту

где d

- размер апертуры антенны в горизонтальной плоскости; Κ

- коэффици-

ент расширения ДНА по сравнению с идеальной равномерной апертурой.

Использование весовой функции типа Хэмминга при формировании ам-

плитудного распределения поля по раскрыву антенны приводит к увеличению

ширины ДНА на уровне 0,5 по мощности от максимума на величину Κ

=1,5.

В S-диапазоне ширина ДН Θ

=0,9°... 1,0°. По углу места ширина ДН в

S-диапазоне -5...6°.

При использовании ФАР отклонение луча на угол Θ относительно норма-

ли к плоскости апертуры вызывает расширение луча и уменьшение коэффици-

ента усиления: . Поэтому иногда в грибовидном об-

текателе размещают три (или более) плоских ФАР в виде равностороннего тре-

угольника, тем не менее в направлении расположения углов треугольной

антенны происходят увеличение Θ

и снижение G

в два раза.

Важнейшей задачей при выборе антенной системы является возмож-

ность обеспечения сверхнизкого уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН по ази-

муту. Эффективность обнаружения низколетящих целей в значительной мере

определяется УБЛ антенны. При большом УБЛ мощный сигнал фона, прини-

маемый по основному лепестку ДНА, формирует в зоне боковых лепестков

помеховый сигнал фона, не позволяющий обнаруживать сигнал цели.

Для обеспечения сверхнизкого УБЛ (как максимального, так и интеграль-

ного) необходимо использовать специальное амплитудное распределение поля

по раскрыву антенны. Так, при весовой функции типа Хэмминга максимальный

УБЛ равен -42,8 дБ, а интегральный —37 дБ.

Фазовые шумы обычно формируют боковые лепестки в широкой области

углов азимута, а их интегральный уровень где σ

- СКО фазовых

шумов. Амплитудные шумы действуют так же, как и фазовые, при этом

= 3° эквивалентно действию амплитудных шумов с σ

=5%.

Существующие антенные системы АК РЛДН позволяют обеспечить сред-

ний УБЛ —40 дБ, первый максимальный —30 дБ и задний —55 дБ.

Антенная система должна обеспечивать равномерный круговой обзор про-

странства и программируемый обзор заданных секторов с требуемым временем

обзора. Комплексы РЛДН и АВАКС используют антенны с механическим ска-

нированием ДН путем вращения плоскости антенны совместно с обтекателем

на 360° за 10 с с постоянной скоростью. При ширине ДН по углу места порядка

5° обзор по дальности и высоте целей ведется путем электронного сканирова-

ния в секторе +5...15° с большой скоростью до 100 Гц. Возможен также одно-

временный обзор заданного сектора по углу места путем использования много-

лучевой ДНА либо антенны со специальной ДН, например cosec φ

Программируемый обзор по азимуту возможен при использовании антен-

ны типа ФАР, где управление ДН осуществляется электронным способом с

большой скоростью переключения (перемещения) луча.

Для обеспечения повышенной помехозащищенности (скрытности) антен-

на должна работать в широкой полосе частот. Мгновенная полоса необходима

для излучения и приема широкополосных сигналов и получения высокой раз-

решающей способности по дальности.

В зависимости от решаемой тактической задачи требуемая полоса состав-

ляет 10... 100 МГц.

Большой разнос по частоте литеров для обеспечения отстройки от помехо-

вого сигнала и ЭМС работы БРЛС в группе требует общей рабочей полосы час-

тот БРЛС порядка 300...500 МГц. Однако в низкочастотных S-, Р-диапазонах

обеспечение такой полосы перестройки представляет значительные сложности.

Антенны типа ФАР (АФАР) позволяют формировать провалы ДН в на-

правлении источников помех, что значительно повышает помехозащищенность

АК РЛДН.

Для бланкирования мощных помеховых сигналов, приходящих по боко-

вым лепесткам ДН антенны, используют дополнительную антенну с широкой

ДН, перекрывающей зону боковых лепестков основной антенны (0 = 5.. .6°) и с

небольшим коэффициентом усиления (G = 20.. .30).

Обеспечение заданных характеристик антенны с учетом ее размещения на

самолете требует принятия ряда специальных мер.

Размещение антенны на высоком пилоне (h

= 3,5 м) снижает влияние

конструкции самолета на ДН антенны и уменьшает ближнюю «мертвую» зону

по дальности обзора, обусловленную экранированием излучения крыльями и

фюзеляжем самолета. Тем не менее, хвостовое оперение самолета экранирует

заднюю зону обзора в пределах ±40.. .20°.

Широкофюзеляжный самолет и дополнительные конструктивные элемен-

ты экранируют излучение антенны и прием мощных помех от подстилающей

поверхности, находящейся непосредственно под самолетом (альтиметровые

помехи).

Для уменьшения влияния неоднородностей структуры обтекателя на ха-

рактеристики антенны при круговом обзоре обтекатель вращается вместе с ан-

тенной.

При массе антенны с обтекателем ~2 т, комплекса БРЛС ~4 τ и РТК в це-

лом 20 τ необходимо использовать для размещения комплекса самолеты тяже-

лого класса Ил-76, Боинг 707-320 В. При использовании антенн типа АФАР

масса БРЛС значительно снижается (менее 1,0 т) и РТК размещается на само-

лете среднего класса (Боинг 737-700).

2.7. Приемное устройство

Бортовая радиолокационная система АК РЛДН является многорежимной

системой, выполняющей большое число разнородных функций при использо-

вании различных режимов работы.

Основными режимами БРЛС являются:

когерентно-импульсный режим высокой (средней) частоты повторения,

обычно с простым импульсным сигналом длительностью 0,5...1,5 мкс, для на-

блюдения низколетящих воздушных целей на фоне земной поверхности;

импульсный режим с низкой частотой повторения с большой длительно-

стью импульса 50...100 мкс со сжатием до 1,0 мкс для обнаружения загори-

зонтных воздушных целей при отсутствии отражений от земной поверхности;

импульсный режим с низкой частотой повторения с длительностью им-

пульса до 25...35 мкс со сжатием до 0,15...0,2 мкс для наблюдения надводных

целей;

в перспективе когерентно-импульсный режим с низкой частотой повторе-

ния в режиме синтезирования апертуры со сжатием импульса до 10 не для ве-

дения разведки малоразмерных наземных целей.

Кроме того, существуют режимы радиотехнической разведки.

Каждый из режимов требует приемного устройства, оптимизированного

для обеспечения той или иной функции БРЛС. В то же время возможна одно-

временная работа БРЛС в нескольких (двух) режимах. Поэтому обычно для

каждого режима используют отдельный приемник и даже несколько приемни-

ков с учетом необходимости обеспечения моноимпульсного режима работы

антенны и помехозащищенности. Общее число приемников достигает 5... 10.

При этом часть приемного устройства является общей для всех приемников от-

дельных режимов.