6.3. ИЗМЕНЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Когда говорят об изменении частоты, то обычно имеют в виду изменение высокочастотного заполнения сигналов, формируемых радиоэлектронным средствам Однако применительно к радиолокационным станциям это может быть также изменение частоты следования импульсов и частоты сканирования диаграммы направленности

Изменение частоты при определенных условиях является эффективным путем повышения помехозащищенности РЭС и одновременно позволяет существенно улучшить некоторые из их основных показателей.

1. Эффективность изменения несущей частоты

Известны несколько способов изменения несущей частоты радиосигналов. Простейший из них заключается в использовании двух приемно-передающих каналов, настроенных на различные частоты Каналы работают попеременно. Переключение осуществляется вручную оператором или автоматически с помощью специальных схем анализа, фиксирующих наличие помехи в приемном тракте.

Другой способ заключается в непрерывном и относительно медленном изменении рабочей частоты РЭС по заданному закону, например, где — низкая частота, к — коэффициент, определяющий девиацию частоты .

Третий способ отличается тем, что частота изменяется скачкообразно от одного значения к другому, но на каждой из выбранных частот работа ведется достаточно долго, например, в течение большого числа периодов следования импульсов РЛС.

Хотя перечисленные способы изменения частоты и находят применение на практике [166], их следует считать неперспективными. Они не улучшают основных свойств радиоэлектронных устройств, а с учетом современного уровня развития электровакуумных приборов и методов радиоэлектронного противодействия [5, 24] эти способы практически не улучшают и защиту РЭС от искусственно создаваемых помех.

Принципиально иное значение имеет быстрое изменение частоты РЭС по случайному закону, например применяемое в РЛС изменение частоты от импульса к импульсу [104,

[31]. При таком изменении высокой частоты сигналов РЛС обеспечивается:

— улучшение характеристик обнаружений целей;

— уменьшение ошибок измерения угловых координат целей;

— увеличение дальности и точности сопровождения целей на фоне мешающих отражений от земной и водной поверхности;

— существенное повышение защищенности РЛС от искусственно создаваемых и взаимных помех.

Улучшение основных показателей РЛС связано с усреднением значений эффективной площади рассеяния (ЭПР) цели при быстром изменении частоты зондирующих сигналов в достаточно широких пределах Как известно, мощность сигнала, отраженного от реальной цели, претерпевает большие изменения в зависимости от направления, в котором находится РЛС по отношению к этой цели. Мощность отраженного сигнала и для данного направления пропорциональны друг другу При перемещении цели относительно РЛС или при ее случайных колебаниях отраженный сигнал медленно флуктуирует в соответствии с диаграммой переизлучения.

Для уяснения физической сущности процесса усреднения значений рассмотрим простейшую модель сложной цели, представляющую собой две изотропно излучающие точки 1 и 2 (рис. 6.11) с одинаковой мощностью переизлучения, удаленные друг от друга на расстояние (линейный размер цели). Диаграмма переизлучения по полю в этом случае описывается формулой [1341

где угол, определяющий направление на точку приема.

Ширина отдельного лепестка диаграммы по нулевому уровню составляет (для

При изменении длины волны X диаграмма переизлучения будет деформироваться вследствие изменения

Рис. 6.11.

ширины лепестков; неизменным будет только положение оси лепестка, симметричного относительно линии 00.

Так, например, при см и ширина лепестков составляет . Если изменить длину [золны на 1%, то пространственное положение 50-го лепестка диаграммы переизлучения (отсчет ведется от линии 00 и угол изменится на . В итоге для направления, характеризовавшегося ранее нулевым переизлучением, при изменении к будет иметь место максимум излучения. Следовательно, за время облучения цели при указанном изменении частоты значения будут изменяться от нуля до максимума для углов При суммировании пачки отраженных сигналов результирующий эффект (энергия пачки) будет пропорционален среднему значению эффективной площади рассеяния (ЭПР) цели.

Если несущая частота сигналов изменяется случайно от импульса к импульсу в пределах полосы плотность распределения частоты постоянна и закон распределения интервала между скачками симметричен, то математическое ожидание модуля разности двух соседних значений частоты равно [129]

Поэтому при для см с вероятностью, равной единице, следует ожидать усреднения от нуля до максимума за длительность пачки импульсов, принимаемых при каждом облучении цели. Таким образом, исключается возможность пропадания отраженных сигналов или их значительных ослаблений, вызванных тем, что направление цель — радиолокационная станция лежит вблизи одного из нулей диаграммы переизлучения цели.

Анализ показывает [131], что корреляция между следующими друг за другом отраженными сигналами будет отсутствовать, если сдвиг по частоте от одного излучаемого импульса к другому не менее

где с — скорость света. При получим

Указанный эффект приводит к существенному улучшению характеристик обнаружения целей. Эти характеристики представляют собой зависимость вероятности

правильного обнаружения сигналов от отношения сигнал/шум по энергии на входе приемника РЛС при постоянной вероятности ложной тревоги

На рис. 6.12 [132] приведены для сравнения три характеристики обнаружения: а — обнаружение нефлуктуирующей цели (идеальный случай); обнаружение реальной цели, характеризующейся медленными флуктуациями — обнаружение флуктуирующей цели при быстром скачкообразном изменении частоты РЛС. Вероятность ложной тревоги во всех случаях одинакова так же как и число накапливаемых импульсов Можно видеть, что в указанных условиях применение перестройки по частоте позволяет снизить необходимое отношение сигнал/шум энергии приблизительно на (т. е. около 6 раз) при и прочих равных условиях. Это соответствует увеличению дальности действия РЛС в Образа при одинаковых энергетических затратах.

Быстрое усреднение значений приводит к существенному снижению ошибок углового сопровождения целей, связанных с флуктуацией амплитуды отраженных сигналов. Кроме того, уменьшаются и ошибки определения угловых координат целей, вызванные флуктуациями положения ее эффективного центра отражения. В обоих случаях предполагается, что эффект усреднения значений достигается за время существенно меньшее эффективной постоянной времени тасп системы АСН. Если тасв принять равной 1 с, то при с отмеченные выше эффекты будут иметь место.

Скачкообразное изменение частоты РЛС по случайному закону является чрезвычайно эффективным средством борьбы с активными маскирующими помехами, в частности с наиболее универсальными и опасными шумовыми

Рис. 6.12.

помехами. При указанном изменении частоты РЛС прицельная шумовая помеха (т. е. помеха с шириной спектра, близкой к полосе пропускания приемника РЛС) позволяет закрыть от радиолокационного наблюдения только пространство за постановщиком помех, пространство же перед постановшиком помех прицельной помехой в принципе закрыто быть не может. Объясняется это тем, что в каждый цикл работы РЛС помеха начинает излучаться на частоте РЛС только после того, как очередной зондирующий импульс принят разведывательным приемником на постановщике помех. Следовательно, дальность постановщика помех может быть определена точно. Помимо этого, существенно затрудняется индивидуально-групповая защита целей, например, путем создания шумовых помех «3 двух точек пространства. При этом методе создания помех [24] две цели, не разрешаемые радиолокационной станцией по угловым координатам, одновременно создают прицельные шумовые помехи и тем исключают возможность их обнаружения и разрешения по дальности при постоянной частоте сигналов РЛС. В указанной ситуации при стрельбе по парной цели ракетами возникают существенные промахи, так как подавляющую часть пути ракета движется в направлении точки, лежащей посредине между целями.

Изменение частоты РЛС от импульса к импульсу при воздействии прицельных шумовых помех принципиально меняет дело, так как становится известным положение по дальности ближайшей к РЛС цели. В реальных условиях расстояния двух целей (например, самолетов) до радиолокационного устройства никогда не будут одинаковыми. При наличии же разности расстояний А применение стробирования начала закрытого помехой участка позволит выделить сигнал только одной цели. При этом предполагается, что длительность стробируемого участка меньше Если, например, Агстр то условие будет выполняться с вероятностью, близкой к единице.

При использовании заградительной по частоте помехи, ширина спектра которой не меньше полосы перестройки частоты РЛС . помеха закрывает весь диапазон дальностей в пределах некоторого сектора Определить расстояние до постановщиков помех при этом невозможно; помеха из двух точек пространства становится практически реализуемой. Однако такое повышение эффективности помех достигается очень дорогой ценой —

резким увеличением мощности излучения передатчика помех. В гл. 2 (формула (2.1.9)) указывалось, что для подавления РЛС необходимо на входе ее приемника обеспечить отношение мощности помехи пределах полосы пропускания приемника) к мощности сигнала не менее требуемого значения коэффициента подавления Соответственно полная мощность заградительной помехи на входе приемника должна быть

т. е. по сравнению со случаем прицельной помехи необходимо весьма существенно увеличивать помеховую мощность.

По имеющимся данным [131, 132, 133], быстрая перестройка частоты РЛС по случайному закону может осуществляться в диапазоне, составляющем единицы процентов от среднего значения частоты с перспективой увеличения этого диапазона до Так, например, для РЛС десятисантиметрового диапазона перестройка на 5% от составляет и при полосе пропускания приемника отношение т. е. при прочих равных условиях мощность передатчика заградительных помех возрастает в 100 раз по сравнению с мощностью передатчика прицельных помех.

Быстрая перестройка РЛС в широких пределах является мерой борьбы с взаимными помехами станций одного частотного поддиапазона. При нахождении в зоне взаимного влияния Ырлс радиолокационных станций, работающих на фиксированных волнах в одном и том же поддиапазоне, всегда имеется большая вероятность близкого расположения частот отдельных РЛС и возникновения взаимных помех. При изменении частоты от импульса к импульсу в широких пределах взаимные помехи могут быть практически исключены. Если эффективное значение полосы пропускания приемника РЛС равно эффективное значение ширины спектра излучаемых сигналов — и полоса перестройки — (причем то вероятность рпоп попадания сигналов соседних РЛС в приемный тракт каждой из них будет равна

Рис. 6.13.

При этом предполагается, что для возникновения взаимных помех достаточно совпадение хотя бы крайних частот спектра сигнала с шириной спектра и полосы пропускания приемника (рис. 6.13). При (5% от получим рпоп Это значит, что в среднем десятая часть рабочих циклов каждой РЛС будет сопровождаться взаимными помехами. Такая ситуация не является опасной. Можно, например, предусмотреть автоматическое запирание приемников при воздействии взаимных помех; потеря 0,1 излученных сигналов практически не скажется на основных характеристиках РЛС, а влияние взаимных помех будет устранено.

Быстрое изменение частоты РЭС осуществляется двумя принципиально различными путями [104, 131, 1321. Первый из них состоит в использовании мощного генератора с самовозбуждением (например, магнетрона), частоту колебаний в котором меняют достаточно быстро (например, от импульса к импульсу) изменением настройки резонатора. В приемном устройстве РЛС в этом случае используют в качестве гетеродина, например, лампу обратной волны, настраиваемую на частоту передатчика с помощью быстродействующей системы АПЧ. Время настройки приемника при этом составляет единицы микросекунд.

Второй путь заключается в использовании набора переключаемых маломощных кварцованных генераторов с последующим умножением частоты колебаний и усилением их мощности; для обеспечения приема сигналов в РЛС используется напряжение того же задающего генератора, но с иным коэффициентом умножения по частоте.

К недостаткам РЛС, в которых применяется перестройка по частоте от импульса к импульсу в достаточно широких пределах, следует отнести трудности обеспечения когерентной обработки принимаемых сигналов, в частности, селекции движущихся целей.