13.2. Состав и параметры радиолокационной системы

Основными узлами радиолокатора являются антенна, система управления и устройство обработки сигналов. К антенне подключены передатчик с модулятором и приемно-усилительная аппаратура. Система управления является «мозгом» всей радиолокационной станции. Она определяет ориентацию антенны и вид излучаемых сигналов, сопровождает важные цели и управляет системой отображения. Главными традиционными функциями устройства обработки сигналов являются согласованная фильтрация и устранение бесполезной информации путем порогового обнаружения. Ключевым моментом при разработке радиолокационной системы является выбор сигналов. Они могут быть самыми разнообразными, начиная от простых импульсных последовательностей и до сложных широкополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сигналов), пачек простых или ЛЧМ-импульсов, пачек импульсов с переменным периодом повторения или многофазных кодовых последовательностей.

Основные узлы современной радиолокационной системы показаны на фиг. 13.1. Отметим, что система управления контролирует работу всех устройств РЛС. От нее, в частности, идет линия управления к антенной системе. Если антенна имеет электронное сканирование диаграммой, то система управления может задавать положение луча для каждого импульса, а также решать, следует ли использовать моноимпульсную информацию для повышения углового разрешения.

Фиг. 13.1. Блок-схема современной радиолокационной системы.

Система управления также определяет форму излучаемого сигнала и приводит в соответствие ему параметры согласованного фильтра. Если круг задач системы управления оказывается слишком большим, ее функции могут выполнять несколько вычислительных машин (фиг. 13.1).

Прежде чем перейти к рассмотрению методов обработки сигналов, необходимо разъяснить некоторые термины, а также напомнить о ряде простых, но важных физических явлений. Короче говоря, следует рассмотреть основные параметры радиолокаторов.

1. Апертура антенны и длина волны

Ширина диаграммы направленности антенны описывается формулой

где b — ширина диаграммы, — длина волны, a D — размер антенны. Если раскрыв антенны симметричен, как, например, в параболических рефлекторах, то величина и в горизонтальном (азимутальном), и в вертикальном (угломестном) направлениях одинакова; при этом луч имеет игольчатую форму. Во многих случаях (например, при управлении полетами) для ускорения обзора требуется антенна с веерной диаграммой. Такая антенна имеет большой раскрыв в горизонтальном направлении и малый — в вертикальном, что дает узкую диаграмму направленно-ности по азимуту и широкую — по углу места.

2. Дальность и разрешение по дальности

Максимальная однозначно измеряемая дальность равна

где с — скорость света — период повторения импульсов. Если, например, , то км.

Если Т уменьшается, то отражения от целей, дальность которых больше , будут приняты после излучения следующего импульса и измерения дальности станут неоднозначными.

Конечно, шумы приемника и мешающий фон могут ограничить предел дальности, на которой цель обнаруживается с достаточно большой вероятностью, до величины, много меньшей чем

Разрешение по дальности характеризует способность радиолокатора разделять отражения от двух целей, расположенных близко друг от друга. Если излучаемый сигнал — монохроматический радиоимпульс, то минимальное значение определяется длительностью пульса р. Это означает, что сигналы, отраженные от двух целей, попадающих в диаграмму и разнесенных на расстояние, меньшее чем перекроются, и обе цели ошибочно можно принять за одну. Укорочение импульса улучшает разрешение по дальности, но уменьшает предельную дальность действия РЛС за счет уменьшения средней излучаемой мощности. Скомпенсировать это уменьшение обычно нельзя, так как радиолокаторы, как правило, имеют ограниченную пиковую мощность. Как будет показано ниже, сигналы могут быть более сложными, чем отрезок синусоиды, и принципиальное ограничение на разрешающую способность по дальности накладывает не длительность [импульса, а ширина его спектра.

3. Доплеровская фильтрация

Доплеровская фильтрация эхо-сигнала основана на эффекте Доплера. Принцип его использования можно пояснить с помощью следующего соотношения:

где — частота несущей, v — скорость цели, — длина волны ), — доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала (по отношению к излучаемой частоте). Соотношение (13.3) справедливо, если облучать непрерывным гармоническим сигналом цель, движущуюся с постоянной скоростью. Однако непрерывные сигналы (или на практике сигналы большой длительности) дают плохое разрешение по дальности. Чтобы получить достаточно хорошее разрешение и по дальности, и по скорости, необходимо перейти к импульсным доплеровским сигналам. Покажем, что обработка таких сигналов при обнаружении соответствует дискретизации синусоиды с частотой через интервалы времени, равные периоду повторения импульсов. Пусть все излучаемые импульсы с несущей частотой имеют одну и ту же начальную фазу, а цель находится на некоторой дальности.

Поскольку цель за интервал времени, равный длительности импульса р, смещается мало, ее можно считать неподвижной, и заметного доплеровского сдвига в принятом импульсе наблюдаться не будет. Через Т секунд, однако, смещение цели станет существенным, и при дискретизации следующего импульса, отраженного от той же цели, между ним и предыдущим импульсом выявится заметный фазовый сдвиг. Величина сдвига фазы определяется долей длины волны, на которую цель переместилась за время Т, т. е.

Если цель движется постоянной радиальной скоростью, то фаза отраженных импульсов будет изменяться от импульса к импульсу на величину, равную . Поэтому последовательность эхо-сигналов, отраженных на заданной дальности, можно представить в виде

где описывает амплитудную модуляцию, вызванную перемещением луча при вращении антенны. Для антенн с электронным сканированием можно зафиксировать направление луча так, чтобы равнялось единице.

Предположим, что в приемном устройстве радиолокатора эхо-сигнал (экспонента с мнимым показателем) умножается на сигнал когерентного гетеродина с произвольной, но постоянной начальной фазой Обозначив этот сигнал через получим результат демодуляции в виде

Экспоненты — постоянные с единичными модулями, и их можно не учитывать. Переменная часть — просто синусоида частоты , представляющая собой доплеровский сдвиг частоты.

Во всех этих выкладках подразумевалось, что несущая частота излучаемых сигналов когерентна от импульса к импульсу (так что ее фаза одинакова во всех импульсах) и весьма стабильна, и имеются два квадратурных демодулятора с одинаковыми усилителями, чем обеспечивается обработка сигнала в комплексной форме. Все это предполагает высокую точность работы аналогового тракта приемника. Существующие радиолокаторы управления полетами, например, не удовлетворяют всем перечисленным требованиям. Во многих радиолокаторах генераторные лампы не обеспечивают межимпульсную когерентность. Поэтому для эффективного использования доплеровской обработки понадобится усовершенствование многих радиолокационных систем.