Глава 13. ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ В РАДИОЛОКАЦИИ
13.1. Вводные замечания о принципах радиолокации и ее применениях
Настоящая глава посвящена лишь небольшому вопросу радиолокации, а именно последним достижениям в области обработки сигналов, связанным с внедрением цифровых методов. Известно. что развитие техники ЦВМ привело к значительному усовершенствованию алгоритмов радиолокационного сопровождения. Кроме того, сочетание ЦВМ и антенных решеток с электронным сканированием луча позволило усовершенствовать методы выбора излучаемых радиолокационных сигналов. Можно ожидать, что в недалеком будущем операции фильтрации и порогового обнаружения в радиолокаторах будут выполняться с помощью быстродействующих цифровых устройств. Несколько известных нам радиолокационных систем уже содержат (или в них вводятся) цифровые устройства для обработки сигналов. Несомненно, что такие устройства обладают значительно большей гибкостью, чем соответствующие им аналоговые устройства.
Применения радиолокации. Во время второй мировой войны англичане использовали радиолокаторы для обнаружения приближающихся неприятельских бомбардировщиков. Начиная с 50-х годов появились управляемые зенитные ракеты, для которых понадобились малогабаритные и надежные радиолокаторы наведения. Одновременно для защиты от межконтинентальных бомбардировщиков была создана глобальная система ПВО «SAGE» (semiautomatic ground environment). Эта огромная система была первой в своем роде благодаря сочетанию новейшей радиолокационной и вычислительной техники, систем связи и отображения информации. Но когда система вошла в строй, угрозой номер один стали уже не самолеты, а межконтинентальные баллистические ракеты. Перед радиолокационной техникой встала задача обнаружения небольших, но крайне опасных целей на больших дальностях и в сложных условиях ограниченного времени. Можно много спорить о стратегическом значении проделанной работы, однако несомненно, что она в значительной мере способствовала техническому прогрессу. Тем временем радиолокаторы нашли применение в таких разнообразных областях, как управление полетами, метеорология, точная картография земной поверхности и радиолокационная астрономия (картографирование Луны).
Ниже дан краткий обзор некоторых из этих приложений.
В крупных аэропортах системы управления полетами представляют собой большие электронные комплексы, обслуживаемые высококвалифицированными специалистами. «Мозг» системы находится в помещении со множеством индикаторов отображения информации. За каждым индикатором работает оператор, который знает расписание и трассы полетов и поддерживает связь с экипажами самолетов и другими операторами. На индикаторы поступает информация от радиолокаторов и радиоответчиков, причем у оператора имеется много возможностей для редактирования изображений на индикаторах.
В типичном аэродромном радиолокаторе антенна вращается механически, совершая полный оборот за 4 — 12 с. Разрешение по азимуту составляет 1—2°, а в вертикальной плоскости антенна имеет веерную диаграмму шириной от 30 до 45°. Итак, когда самолет попадает в луч, зхо-сигнал представляет собой пачку отраженных импульсов, следующих с периодом повторения излучаемых импульсов, причем следующая пачка от той же цели появляется только через период вращения антенны. Основываясь на этой информации, система должна сопровождать в своей зоне (обычно 65 км) до нескольких сотен самолетов и отображать их положение для оператора, который может сопоставлять и использовать все эти сведения.
Во время войны во Вьетнаме важной задачей было обнаружение транспортных магистралей противника. Технически эта задача сводится к обнаружению людей и техники среди густой растительности, т. е. она относится к классу задач, связанных с обнаружением искомых объектов на фоне мощных мешающих отражений. Другими разновидностями той же задачи являются наблюдение за перемещениями самолетов на земле, поиск людей, затерянных в лесу, охрана объектов (например, авиабаз).
Главной особенностью зтих задач является наличие мощных отражений от местных предметов, превышающих полезный эхо-сигнал на 80—100 дБ.
Единственным известным способом обнаружения столь слабых сигналов на фоне сильных мешающих отражений является использование эффекта Доплера, позволяющего измерить сдвиг частоты сигнала, отраженного от движущейся цели.
Вероятно, наиболее сложной задачей радиолокации является дальнее обнаружение баллистических ракет с последующим сопровождением множественных целей, во время которого необходимо различить боеголовки, ловушки, обломки ракеты-носителя и пассивные отражатели. В режиме обнаружения часть пространства многократно обследуется с применением согласованной фильтрации, что позволяет обеспечить большую дальность обнаружения и хорошее разрешение по дальности. В режиме сопровождения различие в скоростях используется как средство для выделения главных целей. Последняя стадия различения требует анализа траектории ракеты и здесь не рассматривается.
Условия работы радиолокаторов. Главной проблемой для большинства радиолокаторов является наличие мешающего фона, проявляющегося различным образом. В любом случае перед разработкой радиолокатора необходимо глубоко исследовать эту проблему. Например, если антенна аэродромной PJIC не направлена вертикально вверх, в ее диаграмму будут попадать местные предметы, и отражения от них подавят эхо-сигналы от самолетов, находящихся вблизи аэродрома. Тучи также создают мешающий фон, затрудняющий сопровождение самолетов в плохую погоду. Даже стаи птиц создают фон. Отражения от облаков и стай, хотя и не столь мощные, как отражения от местных предметов, имеют доплеровскую составляющую, затрудняющую выделение движущихся целей.
Обнаружение объектов, движущихся по Земле, сильно затруднено наличием отражений от почвы, а обнаружение объектов, движущихся в лесах, дополнительно осложняется наличием в мешающих отражениях доплеровского сдвига, вызванного движением листвы под ветром. «Дискреты», т. е. сильные отражения от больших местных предметов, таких, как водонапорные башни, обычно не слишком опасны, поскольку оператор запоминает «радиолокационную карту» окружающей местности.
Входя в атмосферу, управляемая ракета подвергается большим перепадам температур. Вскоре после старта боеголовка отделяется от ракеты-носителя, и, поскольку полет происходит за пределами атмосферы, они летят рядом. При снижении ракета-носитель разрушается, и обломки видны на индикаторе как движущиеся цели. Кроме того, боеголовка может нести специальные средства маскировки, такие, как ловушки (незаряженные объекты, имитирующие боеголовку) и пассивные отражатели (множество небольших, но сильно отражающих диполей).
