4. Имитирующие помехи системам автоматического сопровождения по направлению

Канал автоматического сопровождения по направлению (АСН), осуществляющий угловую селекцию целей, а также измерение ее угловых координат и их производных, является одним из основных измерительных каналов РЛС управления оружием. В большинстве случаев потеря информации об угловых координатах цели (или нарушение угловой селекции цели) приводит к невыполнению задачи, решаемой РЛС.

Способы создания помех каналу АСН зависят от числа независимых каналов (антенн) приема. Так, работа одноканальной системы АСН, в которой информация об угловых координатах цели получается за счет сканирования антенны, может быть нарушена при создании помехи из одной точки (помеха по частоте сканирования). Однако эта помеха полностью устраняется в моноимпульсных системах АСН, имеющих два независимых канала приема (две разнесенные точки приема.) Для подавления двухканальных систем АСН применяются помехи, создаваемые из двух и более точек пространства.

Следует заметить, что существует принцип «старшинства» помехи, т. е. помеха, создаваемая из двух и более точек пространства является эффективной как для двухканальной (моноимпульсной) системы АСН, так и для одноканальной системы (с коническим сканированием).

В некоторых случаях помехи «низшего» класса могут оказывать действие на системы АСН, имеющие несколько независимых каналов приема. Например, моноимпульсные системы АСН могут быть подавлены помехой, создаваемой из одной точки, с поляризацией, ортогональной поляризации полезного сигнала. При этом используется несовершенство антенных систем, имеющих различные диаграммы направленности на основной и ортогональной поляризациях.

Системам АСН могут быть созданы помехи из одной, двух и более точек пространства.

К одноточечным помехам относятся:

— помеха, прицельная по частоте сканирования;

— помеха, заградительная по частоте сканирования;

— прерывистая помеха;

— помеха на кросс-поляризации.

Из двух и более точек могут создаваться:

— некогерентные помехи;

— когерентные помехи;

— мерцающие помехи.

Помеха, прицельная по частоте сканирования. Эта помеха представляет собой амплитудно-модулированное колебание. Частота помеховой модуляции примерно совпадает с частотой сканирования антенны Помеха, прицельная по частоте сканирования, может быть создана лишь тем РЛС, частота сканирования которых либо точно известна, либо может определяться в процессе радиотехнической разведки.

При действии помехи на входе РЛС образуется сигнал

где амплитуды полезного и помехового сигналов; фазы огибающих полезного и помехового сигналов; коэффициенты полезной и помеховой модуляций. Значение коэффициента модуляции зависит от угловой ошибки сопровождения цели.

Действие помехи вызывает деформацию пеленгационной характеристики, которая при для одного из каналов пеленгации записывается в виде [24]

где . В отсутствие помехи

Зависимость от при имеет вид, изображенный на рис. 2.13 (кривая 1).

При росте пеленгационная характеристика становится несимметричной. Точка устойчивого состояния равновесия смещается вправо на величину 0, значение которой равно угловой ошибке сопровождения цели. Ошибка может быть найдена из уравнения (2.2.2). Если то

При малых значениях ошибки в получим

где угол между равносигнальным направлением и максимумом диаграммы направленности.

Как следует из (2.2.4), даже при бесконечно большом значении мощности помехи нельзя получить величину ошибки больше значения

Это объясняется тем, что помеховый сигнал, излучаемый с прикрываемого объекта, сам несет информацию об его угловых координатах. При действии помехи антенна РЛС отклоняется до тех пор, пока помеховая модуляция не будет скомпенсирована полезной модуляцией, которая вызывается сканированием антенны, отклоненной от цели на угол

Рис. 2.13.

Помеха вызывает также изменение динамических характеристик системы. С ростом коэффициент передачи пеленгационного устройства уменьшается. Чтобы в этом убедиться, определим в точке устойчивого состояния равновесия системы АСН. Для простоты рассуждения аппроксимируем пеленгационную характеристику функцией

Тогда с учетом (2.2.6) из (2.2.3) найдем значение углов которых наблюдается устойчивое состояние равновесия

Коэффициент передачи пеленгатора, определяемый из (2.2.2) и (2.2.6) при равен

Уменьшение при росте может привести к потере устойчивости системы АСН.

Помеха, заградительная по частоте сканирования. Когда частота сканирования антенны РЛС неизвестна, может применяться помеха, заградительная по частоте сканирования. Различают шумовую и скользящую заградительные по частоте сканирования помехи. Помеха первого вида — это гармонический сигнал несущей частоты, модулированный по амплитуде низкочастотным шумовым напряжением с равномерным спектром, перекрывающим диапазон возможных частот сканирования. Если несущая модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением, частота которого периодически изменяется в определенном диапазоне, то получается скользящая заградительная помеха.

Для шумовой заградительной помехи помеховый сигнал на входе системы АСН может быть представлен в виде

где коэффициент амплитудной модуляции помехового сигнала,

При действии низкочастотной шумовой помехи на систему АСН в отсутствие сигнала дисперсия угловой ошибки определяется формулой [86]

где спектральная плотность случайного коэффициента амплитудной модуляции помехового сигнала на частоте сканирования; полоса пропускания системы АСН. Так как , можно считать

где та эффективное значение коэффициента амплитудной модуляции помехового сигнала. Из (2.2.8) и (2.2.9) получим

Как следует из (2.2.10), эффективное значение угловой ошибки сопровождения уменьшается при увеличении ширины спектра шумов и сужении полосы пропускания Ласн системы АСН.

Наиболее просто эффективное значение коэффициента модуляции определяется, когда модулирующий шум представляет собой случайный телеграфный сигнал («бинарный» шум). При этом [172].

Подставляя в (2.2.10), получим

Сравнивая (2.2.11) и (2.2.5), можно убедиться, что эффективность заградительной помехи в меньше эффективности прицельной помехи.

Заградительная по частоте сканирования помеха, создаваемая путем изменения частоты помеховой модуляции вызывает периодические возмущения в моменты времени, когда частота помеховой модуляции совпадает с

стотой сканирования (с точностью до полосы пропускания системы

Величина угловой ошибки сопровождения цели зависит от времени эффективного действия помехи на систему АСН, которое определяется скоростью изменения модулирующей функции Время эффективного действия помехи при заданной скорости перестройки равно

При медленной перестройке скорость изменения частоты помеховой модуляции выбирается из условия Зтдсн, где

Из (2.2.12) и (2.2.13) имеем

Условие (2.2.14) показывает, что при медленной перестройке период следования возмущений довольно большой. Ом определяется формулой

диапазон перестройки генератора помеховой модуляции.

При быстрой перестройке частоты помеховой модуляции скорость изменения ее частоты велика

Время воздействия помехи Думало (Дгэфтдсн), однако период следования возмущений близок к постоянной времени системы. В этом случае помеха по эффекту действия приближается к заградительной шумовой помехе [24]. Угловая ошибка также зависит от отношения эквивалентной полосы пропускания к полосе перестройки

Прицельные и заградительные по частоте сканирования помехи нарушают также работу измерителей угловой скорости линии визирования систем самонаведения ракет при методе пропорционального наведения. Дисперсия ошибки измерения угловой скорости линии визирования равна

где передаточная функция замкнутого контура измерителя угловой скорости линии визирования.

Особенностью измерителя угловой скорости является то, что квадрат модуля его амплитудно-частотной характеристики имеет релеевскую форму. При выполняется равенство а на некоторой резонансной частоте функция достигает максимума

где коэффициент передачи угломерного канала по скорости.

Квадрат модуля передаточной функции хорошо аппроксимируется релеевской кривой

где коэффициенты аппроксимации. Из (2.2.15) и (2.2.16) с учетом (2.2.9) получим

Анализ формулы (2.2.17) показывает, что при некотором оптимальном значении дисперсия измерения угловой ошибки принимает максимальное значение. При уменьшении ширины спектра помехи как и при ее увеличении, наблюдается снижение эффективности помехи.

Некогерентные многоточечные помехи. Некогерентные помехи создаются двумя и более разнесенными в пространстве передатчиками. Между фазами генерируемых высокочастотных колебаний отсутствует детерминированная связь.

Рис. 2.14.

Излучаемые колебания могут быть модулированными и немодулированными. Вид модулирующей функции в значительной степени определяет эффективность помех.

В простейшем случае некогерентные помехи создаются двумя отражающими объектами (например, парой самолетов, кораблей и др.). Действие такой немодулированной помехи проявляется в создании угловой ошибки сопровождения целей.

Если угловое расстояние между целями и меньше ширины луча подавляемой РЛС, то равносигнальное направление (РСН) ориентируется на эффективный центр парной цели (рис. 2.14), положение которого зависит от отношения мощностей помеховых сигналов. Угловая ошибка сопровождения центра при малых угловых расстояниях между источниками определяется формулой [24]

Если цели одинаковые и 1, то и ошибки сопровождения этих целей по модулю одинаковы и составляют Увеличение мощности одного из источников приводит к смещению равносигнального направления в сторону источника с большей мощностью. При ошибка сопровождения источника с большей мощностью становится незначительной. Это обстоятельство используется в специальных схемах углового стробирования мешающего источника. Например, в схеме Кука [101, 214] соотношение достигается «подчеркиванием» одной из целей за счет облучения групповой цели передающей антенной с неравномерной диаграммой направленности.

Необходимо отметить, что выражение (2.2.18) справедливо для малых углов . С ростом

начинает сказываться нелинейность диаграммы направленности и поведение системы АСН при сопровождении парной или сложной цели приходится анализировать с помощью семейства обобщенных пеленгационных характеристик [24, 101].

Анализ обобщенных пеленгационных характеристик показывает, что угол разрешения источников немодулированных помех

Мерцающие и прерывистые помехи. Мерцающие помехи создаются с помощью двух (и более) передатчиков помех путем их поочередного включения. Зарубежные специалисты рассматривают мерцающую помеху как эффективный способ радиоэлектронного противодействия РЛС управляемых ракет [214, 101].

При анализе воздействия мерцающих помех на систему АСН существенным является то, что в каждый данный момент включен один из передатчиков или (рис. 2.14), Это позволяет оценивать эффективность мерцающих помех, анализируя воздействия на систему АСН помеховых сигналов каждого из источников или при использовании пеленгационной характеристики угломерного устройства для одиночного источника.

При действии мерцающей помехи управляющий сигнал системы АСН представляет собой меандровое напряжение с периодом мерцания (рис. 2.15, б). Амплитуда входного воздействия равна Медленно меняющаяся (постоянная) составляющая определяет ошибку сопровождения геометрического центра парных источников.

Рис. 2.15.

Входной возмущающий сигнал может быть представлен в виде

где и — амплитуда и фаза гармоники.

Выходной сигнал пеленгатора, который считается безынерционным, равен

где медленно меняющаяся составляющая, величина и знак которой соответствуют углу .

Анализируя выходной сигнал пеленгатора можно отметить два качественно отличных вида мерцающих помех: медленные и быстрые мерцания.

Для медленных мерцаний характерным является то, что частота мерцания лежит в пределах полосы пропускания системы выполняется условие

В этом случае через систему АСН проходят составляющие частоты и отдельных ее гармоник, в результате чего антенна РЛС поочередно отрабатывает направления на цели При значении угла между источниками превышающем ширину главного лепестка пеленгационной характеристики мерцающие источники разрешаются. Следовательно, угол разрешения для мерцающих помех при малой частоте коммутации равен

При быстрых мерцаниях частота переключений лежит вне полосы пропускания системы АСН Иными словами, ни одна из гармонических составляющих управляющего напряжения не проходит через систему АСН и управляющий сигнал записывается в виде

Таким образом, управляющее напряжение в случае воздействия на систему АСН быстрых мерцаний представляет собой медленно меняющуюся составляющую, которая пропорциональна значению угла Действие парной

цающей цели в этом случае не проявляется а раскачивании антенны с частотой Система АСН воспринимает парную мерцающую цель как одиночную и следит за положением центра О источников

Из рис. 2,15 видно, что при малых значениях

где

Для систем АСН неустойчивое состояние равновесия наступает при Пользуясь пеленгационной характеристикой (рис. 2.15, а), можно определить угол разрешения быстро мерцающих источников, при котором Этот угол равен угловому расстоянию между экстремумами пеленгационной характеристики.

Частным случаем мерцающих помех является прерывистая йомеха. Она представляет собой периодическую последовательности мощных радиоимпульсов, излучаемых одним передатчиком помех со скважностью Действие прерывистых помех на систему АСН со сканирующей антенной основано на использовании переходных процессов, протекающих в системе АРУ при поступлении на ее вход мощных импульсных сигналов. Вследствие инерционности системы АРУ коэффициент усиления приемного тракта не может изменяться скачком. Кроме того, приемное устройство имеет ограничение сверху и снизу. По этим причинам прерывистая помеха приводит к перегрузке приемника и вызывает перерывы поступления информации в угломерный канал за счет срезания переменной составляющей с частотой сканирования в интервалах времени, примыкающих к началу и концу импульса помехи.

Прерывистая помеха вызывает уменьшение среднего коэффициента передачи системы АСН. Эффективность ее зависит прежде всего от интенсивности помехового сигнала, длительности помеховых импульсов, периода их следования и параметров системы АРУ [8].

Двухточечные когерентные помехи. Возможность создания помех каналам АСН с помощью двух разнесенных и пространстве когерентных источников основывается на вскажении фазовой и амплитудной структуры электромагнитного поля в раскрыве антенны угломерного устройства,

Рис. 2.16.

Если размеры антенны малы, так что можно считать распределение амплитуды электрического поля по ее раскрыву равномерным, то определение угловых координат источника излучения сводится к определению пространственного положения нормали к поверхности равных фаз. Для одиночного точечного источника эта поверхность представляет собой сферу, и нормаль к любой ее точке совпадает с направлением на источник — цель.

Для двух когерентных источников разнесенных на расстояние друг от друга, эквифазная поверхность результирующей волны существенно деформируется. На некоторых направлениях появляются искривленные участки фазового фронта. При равенстве амплитуд и сигналов, излучаемых когерентными источниками и (рис. 2.16), амплитудная диаграмма является многолепестковой, а фазовая диаграмма претерпевает скачки на в направлениях, соответствующих отсутствию излучения электромагнитной энергии. Диаграмма направленности двух излучателей разной амплитуды не содержит нулей, а ее фазовая характеристика на границе смежных лепестков плавно переходит от некоторого значения до в интервале углов конечной ширины (рис. 2.16). В области углов соответствующей скачку или плавному изменению фазы от до

(область фазовой инверсии) амплитудная характеристика имеет минимум.

На достаточно больших расстояниях от источников линейные размеры области фазовой инверсии могут значительно превосходить размеры антенны РЛС, что позволяет считать распределение амплитуды по раскрыву постоянным, а фазы — линейным. В силу принципа действия системы АСН равносигнальное направление автоматически ориентируется перпендикулярно фазовому фронту волны. Поэтому если наложить участок с инверсией фазы на антенну РЛС, то система АСН будет сопровождать центр парных источников с ошибкой 0.

Ошибка сопровождения в линейном приближении определяется формулой [54, 105, 24, 101]

где угол, под которым видны помеховые источники из центра антенны РЛС; - разность фаз колебаний, измеренная в центре раскрыва антенны РЛС.

Наибольшее значение ошибки имеет место при Если то

Необходимо заметить, что формулами (2.2.23) и (2.2.24) можно пользоваться лишь при или Точное значение ошибки определяется путем анализа семейства обобщенных пеленгационных характеристик системы АСН при действии на нее когерентных помех. При этом необходимо учитывать амплитудные и фазовые характеристики антенны РЛС. Анализ показывает, что максимальная ошибка при создании когерентных помех не превышает значения

Когерентная помеха создается естественным образом при сопровождении сложной цели. В этом случае фазовая и амплитудная диаграммы (рис. 2.16) случайным образом вращаются вокруг эффективного центра цели. Система АСН ощущает возмущения «ударного» типа в моменты наложения на антенну РЛС участков с инверсией фазы. Такую помеху иногда называют «угловым» (или с фазовым) шумом.

Помеха на кросс-поляризации. У большинства современных антенн наряду с излучением на собственной поляризации существует паразитное излучение на ортогональной поляризации. Это излучение получило название кросс-поляризационного. Особенно ярко проявляется кросс-поляризационное излучение у зеркальных антенн, содержащих отражатели с двойной кривизной.

Рис. 2.17.

Диаграмма направленности антенн на ортогональной поляризации значительно отличается от основной диаграммы. Явление искажения результирующей диаграммы направленности антенны РЛС при облучении ее полем с ортогональной поляризацией используется при создании помех на кросс-поляризации, которые можно назвать кросс-поляризационными.

При возбуждении параболического отражателя электрическим диполем по поверхности параболоида начинают протекать токи, распределение которых отличается от линейного [2,101]. В результате раскрыве антенны наряду с основной поляризацией будет иметь составляющую с паразитной поляризацией

Анализ распределения поля в раскрыве параболической антенны (рис. 2.17) показывает, что в горизонтальной и вертикальной плоскостях (оси ) кросс-поляризационное излучение отсутствует. Максимум кросс-поляризационного излучения имеет место в плоскостях, проходящих через ось параболоида и оси образующие с осями х и у угол . Он совпадает с направлением первого минимума диаграммы на основной поляризации. Структура кросс-поляризационных диаграмм зависит многих факторов и прежде всего от кривизны отражателя, вида облучателя, выноса облучателя из фокуса и дифракции на краях зеркала, близлежащих телах, обтекателе и т. д. Уровень -поляризационного излучения невелик. Для

зеркальных антенн он составляет -(10-20) дБ относительно главного максимума.

Поляризационная помеха может вызывать значительные ошибки измерения угловых координат. Подробный анализ действия ее на системы АСН проводится с помощью семейства пеленгационных характеристик и является трудоемким [101].

При действии кросс-поляризационной помехи на простейший разностный амплитудный пеленгатор на его выходе образуются сигналы управления:

— для полезного сигнала

— для помехи

где k — постоянный коэффициент; коэффициенты усиления антенны на основной и ортогональной поляризациях соответственно; нормированные диаграммы направленности на основной и ортогональных поляризациях.

Выражение (2.2.26) описывает пеленгационную характеристику на кросс-поляризации. Суммарный сигнал на выходе пеленгатора

где коэффициент ослабления поляризационной помехи; пеленгационная характеристика для сигнала; пеленгационная характеристика для помехи.

Можно заметить два качественно различных случая действия помехи. При малой мощности помехового сигнала, когда уменьшается лишь крутизна пеленгационной характеристики. С увеличением мощности помехи крутизна пеленгационной характеристики снижается все больше и при к ее форма существенно деформируется: появляются две точки устойчивого равновесия, что говорит о возникновении в системе АСН ошибки в сопровождении цели. Ошибка , обусловленная помехой, может быть определена из уравнения Она составляет

При угловом рассогласовании плоскостей поляризации помехового и полезного сигналов электрический вектор помехового сигнала может быть разложен на две ортогональные составляющие: помеховую и полезную

Величина действует на рабочей поляризации и будет полезной составляющей. Помеховая составляющая ослабляется в косл раз, и на выходе антенны отношение сигнал/помеха

увеличивается. Выражение (2.2.27) показывает сильную зависимость эффективности помехи от угла