6.4. РАДИОПРИЕМ ПРИ МНОГОЧАСТОТНОМ ИЗЛУЧЕНИИ

Многочастотная РЛС осуществляет передачу, прием и обработку радиосигналов с разными несущими частотами. Для этого в состав такой станции включается передатчиков и приемников с соответствующим антенным

устройством, а также многоканальная система обработки сигналов. Многочастотная РЛС по сравнению с одночастотной позволяет: увеличить суммарную мощность излучения, обеспечить большую дальность обнаружения целей при заданной мощности излучения, повысить надежность работы и защищенность станции от организованных и естественных помех.

Существуют два различных пути использования нескольких рабочих (несущих) частот в одной РЛС. Первый путь заключается в том, что на каждой рабочей частоте создается отдельная диаграмма направленности антенны; второй путь характеризуется тем, что в пределах одной диаграммы одновременно излучаются сигналы на нескольких частотах.

Диаграммы РЛС первого типа иллюстрируются рис. 6.19 для случая, когда используются три рабочие частоты. Отдельная точечная цель будет при этом облучаться радиоволнами одной какой-либо частоты; исключение составят лишь цели, находящиеся на пересечении двух соседних диаграмм направленности. По сути дела подобные РЛС представляют собой замену одночастотной станции несколькими независимыми станциями, работающими на разных частотах и ведущими наблюдение за различными областями пространства. Применение подобной многочастотной станции существенно улучшает показатели радиолокационного устройства в целом. При использовании частот во столько же раз увеличивается полная мощность излучения РЛС. Максимальное значение мощности радиолокационных передатчиков ограничивается целым рядом факторов: возникновение пробоев в высокочастотном тракте, трудностями отвода выделяемого тепла, возрастанием модулирующего

Рис. 6.19.

Рис. 6.20.

напряжения и др. При заданных ограничениях мощности отдельного передатчика применение многочастотного излучения позволяет увеличить суммарную мощность излучения РЛС. Это приводит к повышению потенциала станции (потенциалом РЛС называется произведение излучаемой мощности на коэффициент усиления антенны в результате чего возрастает дальность действия РЛС и ее помехозащищенность.

Поясним сказанное. Пусть, например, РЛС предназначена для просмотра области пространства, границы которой по угловым координатам определяются в вертикальной плоскости сектором (рис. 6.20), а в горизонтальной плоскости сектором 360°. Предположим, что в одночастотной РЛС для просмотра зоны обзора за заданное время при времени облучения отдельной цели Тобл приходится использовать антенну с плоской диаграммой направленности и шириной луча в вертикальной плоскости а в горизонтальной Применяя -частотную станцию, можно сделать ширину диаграммы направленности антенны каждого канала в вертикальной плоскости, равной и перекрыть диаграммами сектор Ширина диаграммы направленности антенн в горизонтальной плоскости останется прежней При использовании такой многоканальной РЛС время обзора заданного пространства и время облучения точечной цели сохранятся неизменными, а коэффициент усиления антенны каждого канала увеличится в раз по сравнению с одночастотной РЛС. Значение коэффициента усиления антенны можно оценить по приближенной формуле [155]

где значения ширины диаграммы направленности антенны по половинной мощности для двух взаимно перпендикулярных плоскостей, например вертикальной и горизонтальной.

Если мощности отдельных передатчиков одночастотной и многочастотной РЛС принять одинаковыми (т. е. суммарная мощность излучения многочастотной РЛС возрастет в раз), то потенциал одного канала многочастотной РЛС будет в раз больше потенциала одночастотной станции. Значение потенциала РЛС в большой степени определяет ее защищенность от активных помех, так как пропорционально

ему должен возрастать потенциал передатчика помех. Следовательно, при прочих равных условиях, для подавления одного из каналов -частотной РЛС с передатчиками и разнесенными в пространстве диаграммами направленности антенн понадобится увеличение потенциала передатчика помех в раз по сравнению с условиями подавления одночастотной станции. Сектор подавления для многочастотной РЛС при этом будет в раз меньше.

Защищенность многочастотной РЛС от пассивных помех искусственного и естественного происхождения также повысится вследствие сужения диаграммы направленности антенны каждого канала по сравнению с одночастотной РЛС. Как известно [134], если частицы, создающие пассивные помехи (дипольные отражатели, капли дождя и т. п.), распределены равномерно в пределах пространства, существенно превышающего элементарный разрешаемый объем, то мощность пассивных помех на входе приемника РЛС пропорциональна разрешаемому объему. Применительно к импульсной станции этот объем определяется произведением сечения диаграммы направленности антенны на заданной дальности и длительности импульса РЛС , выраженной в единицах дальности. Имеет место соотношение [134]

где с — скорость света; коэффициент пропорциональности.

Формула (6.4.2) показывает, что сужение диаграммы направленности, например, в вертикальной плоскости в раз приводит к пропорциональному уменьшению входной мощности пассивной помехи при прочих равных условиях. Дальность действия РЛС пропорциональна корню квадратному из коэффициента усиления ее антенны. Поэтому, если сравнивать дальность действия одночастотной РЛС и отдельного канала многочастотной станции (при прочих равных условиях), то для -канальной станции дальность действия будет в раз больше (без учета поглощения энергии радиоволн в атмосфере).

Рассмотрим второй путь многочастотного излучения, при котором каждая цель облучается зондирующими сигналами на нескольких частотах. Если значения потенциалов многочастотной и одночастотной станций принять одинаковыми,

то дальность обнаружения целей и помехозащищенность первой из них будут больше. В этом состоит особенность многочастотной станции рассматриваемого типа.

При изменении частоты облучающих цель колебаний диаграмма переизлучения цели деформируется, в результате чего изменяется амплитуда отраженных сигналов, принимаемых при данном взаимном расположении РЛС и цели (подробнее см. § 6.3). Применяя одновременное излучение зондирующих сигналов на нескольких частотах, различие между которыми выбирается в соответствии с неравенством (6.3.4) и суммируя выходные сигналы всех каналов, следует ожидать, что результирующий сигнал будет иметь гораздо меньшие флуктуации по амплитуде при движении цели, чем в случае использования одночастотной РЛС. Уменьшение флуктуаций отраженных сигналов приведет к увеличению дальности обнаружения целей (при прочих равных условиях).

Оценить увеличение дальности действия РЛС можно следующим путем. Допустим, что обработка сигналов в многочастотной станции состоит в сравнении с порогом выходного напряжения приемника каждого канала и последующем суммировании напряжений тех каналов, где превышен порог. Таким образом, суммарное выходное напряжение, подводимое, например, к индикаторному устройству, можно представить как

где напряжение, образующееся на выходе порогового устройства канала. Вероятностью правильного обнаружения сигнала в отдельном канале следует называть вероятность того, что в этом канале сумма сигнала и шума превысит порог, т. е. Тогда вероятность правильного обнаружения -канальной системы представляет собой вероятность превышения порогового уровня хотя бы в одном канале и равна при

Рассуждая аналогичным образом, можно выразить вероятность ложной тревоги системы через вероятность

ложной тревоги в отдельном канале

при можно воспользоваться приближенным равенством

При сравнении характеристик обнаружения многочастотной и одночастотной станций следует соблюдать два условия. Во-первых, должна быть одинаковой полная энергия излучаемых колебаний, т. е. Еизл Еизл энергии излучения одночастотной и -того канала многочастотной РЛС соответственно Во-вторых, должны быть одинаковыми результирующие значения вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги рлте для РЛС обоих типов.

Например, при приеме сигналов с неизвестной начальной фазой и медленно флуктуирующей амплитудой требуемое отношение сигнал/шум для одноканальной станции связано со значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги следующей зависимостью [52]:

где полная энергия принимаемых сигналов, используемая для единичного обнаружения; спектральная плотность мощности собственного шума приемника.

Для многоканальной станции должны быть обеспечены иные значения вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги в отдельных каналах и Поэтому и отношение сигнал/шум потребуется иное. По формулам (6.4.4) и (6.4.6) можно определить и как

Теперь, обратившись к формулам (6.4.7), можно рассчитать значение от ношения сигнал/шум на входе одного канала приемника многочастотной РЛС. При заданном значении одинаковом как для одноканальной РЛС, так и для любого канала -канальной станции, можно определить требуемое значение энергии сигнала на входе отдельного канала многоканальной станции

Суммарная энергия входных сигналов, распределяющаяся между каналами, будет равна

Если энергия входных сигналов, требуемая при использовании -канальной станции, оказывается меньше требуемой энергии сигнала одноканальной РЛС, то при прочих равных условиях дальность действия многочастотной РЛС () будет больше, чем у одночастотной отношение этих дальностей составляет

Так как отношение энергий равно то

Графики на рис. 6.21 иллюстрируют результаты подобных расчетов для трехчастотной станции. На этом рисунк сплошная линия соответствует характеристике обнаружения трехчастотной станции, а пунктирная — одночастотной. Результаты расчета показывают, например, что требуемое отношение сигнал/шум для одночастотной станции а для трехчастотной Таким образом, увеличение дальности действия трехчастотной станции составляет гмчгоч

Для повышения защищенности многочастотной станции от активных шумовых помех применяют различные варианты совместной обработки выходных сигналов отдельных

Рис. 6.21.

Рис. 6.22.

каналов. В трехчастотной РЛС используются, например, следующие варианты обработки [43, 78]:

При этих вариантах обработки в порядке их перечисления РЛС обладают ухудшающимися характеристиками обнаружения, но улучшающейся помехозащищенностью.

При заданных значениях вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги для отдельного канала и значения вероятностей рпост и рлтст для трехканальной системы при варианте обработки а определяются формулами (6.4.4) и (6.4.6).

Если используется вариант то

Наконец, для варианта в имеем

Задаваясь вероятностями по формулам (6.4.4), (6.4.6), (6.4.9) — (6.4.12) можно рассчитать вероятности а затем по формуле (6.4.7) определить требуемое отношение сигнал/шум на входе одного приемника. Результаты подобных расчетов приведены в виде графиков на рис. 6.22; на этом рисунке по оси абсцисс отложено утроенное значение соответствующее суммарной излучаемой мощности РЛС. Результаты анализа показывают, что наилучшими характеристиками обнаружения действительно обладает варианта, а наихудшими — вариант

Помехозащищенность РЛС с этими вариантами обработки сигналов оказывается различной потому, что при варианте а для подавления РЛС достаточно создавать помеху только на одной из частот, при варианте необходимо подавлять РЛС не менее чем по двум частотным каналам, а при варианте в — по всем трем.

Для повышения помехозащищенности многочастотной РЛС можно использовать различную частоту следования импульсов в разных каналах [43, 781. Так, например, в одном из каналов частота следования импульсов может быть выбрана из условия беспропускной селекции быстродвижущихся целей на фоне неподвижных или медленно движущихся целей макс), а в другом канале из условия однозначного измерения максимальной дальности гмакс Различие частот следования в каналах РЛС приводит к разному числу импульсных сигналов, накапливаемых при обнаружении цели на разных частотах. Следствием этого является ухудшение характеристик обнаружения РЛС. Точный анализ характеристик подобной станции при представляет серьезные трудности и пока не реализован. Данные предварительных исследований 1431 позволяют предполагать, что ухудшение характеристик обнаружения не должно быть существенным.

Увеличение надежности работы многочастотной РЛС по сравнению с одночастотной определяется тем, что вероятность одновременного выхода из строя всех каналов гораздо меньше вероятности отказа одного канала одночастотной РЛС. В то же время при нормальной работе хотя бы одного канала и выходе из строя остальных многочастотную РЛС можно считать функционирующей при некотором ухудшении ее показателей. Если под вероятностью безотказной работы многоканальной РЛС (рбоп) понимать вероятность нормальной работы в течение заданного времени хотя бы одного канала из то рбрп связана с вероятностью безотказной работы отдельного канала очевидным соотношением

Расчеты по формуле (6.4.13) показывают, что уже при надежность системы существенно превышает надежность одного канала. Так, при вероятности безотказной работы одного канала равной 0,6 (низкая надежность) эта вероятность для трехканальной системы составляет 0,933.

Судя по материалам работ [37, 132, 1951, можно считать, что различие частот в многочастотной РЛС составляет десятки и сотни мегагерц.