На передних рубежах радиолокации - Виктор Млечин

В авиационных системах используется коническое сканирование, а переход к нему может производиться путём спирального обзора.

Говоря об авиационных РЛС, следует отметить некоторые особенности обзора земной поверхности. Первая особенность состоит в том, что при круговом обзоре минимальная задержка отраженного сигнала определяется высотой полёта H, вследствие чего на индикаторе образуется яркое кольцо радиусом H, внутренняя часть которого затемнена. Для лучшего использования площади экрана начало развёртки по дальности задерживают относительно зондирующего импульса так, чтобы высотное кольцо стянулось бы в точку. Такая процедура называется режимом «закрытия центра». При этом, однако, ухудшаются заметность и размещение объектов, находящихся вблизи центра. Поэтому предусмотрен и другой режим – режим опережения развёртки с выносом центральных отметок ближе к середине экрана. Этот режим соответствует «открытию центра». Другая особенность высотного обзора земли или моря состоит в искажении дальностных характеристик лоцируемых объектов. Наклонная дальность, измеряемая РЛС, достаточно близка к горизонтальной дальности только на малых высотах полёта. Ввиду нелинейной зависимости наклонной дальности от горизонтальной на больших высотах наблюдаются искажения обозреваемой местности на экране индикатора, что особенно проявляется на малых дальностях вблизи центра. Для уменьшения искажений ток катушек развёртки по строкам корректируется с заменой начального линейного участка на изменяющийся по гиперболическому закону. Третьей особенностью рассматриваемых РЛС является низкая тангенциальная разрешающая способность на больших дальностях. Этим грешат, впрочем, и РЛС других типов. Объяснение такому явлению довольно простое. Ширина луча антенны в радианах определяется отношением длины волны к диаметру антенны d, что на дальности D даёт размер хорды λD/d. Например, антенна с размером 1 м при волне 3 см перекрывает на дальности 100 км участок в 3 км.

Чтобы улучшить тангенциальную разрешающую способность РЛС, необходимо увеличить размер антенны, однако это ограничено возможностями летательных аппаратов. Перспективы открываются в РЛС бокового обзора с синтезированной антенной. Давно известно, что для сканирования луча с помощью фазированной антенны решётки (ФАР), состоящей из n эквидистантных вибраторов, необходимо линейное наращивание фазы по длине решётки, причём пропорциональное отклоняемому углу (для малых углов). Эффективная апертура (размер) такой антенны равна произведению числа вибраторов на шаговый интервал. Чем больше это произведение, тем уже главный лепесток антенны. Так вот, антенна РЛС бокового обзора в когерентном режиме при каждом излучении импульса становится элементом или вибратором некоторой воображаемой антенной решётки. Расстояние между элементами этой фиктивной решётки определяется движением носителя. Запоминая фазу и амплитуду отражённых сигналов, а затем когерентно их суммируя синфазно с перемещением аппарата-носителя, получим синтезированную решётку очень большой эффективной длины. Как показали эксперименты, качество изображения местности, снятое с помощью подобных РЛС, приближается к качеству аэрофотосъёмки.

Выше мы говорили об обзоре пространства с помощью однолучевых РЛС. Но возможности радиолокационной техники позволяют строить и многолучевые схемы. Так, для определения угла места или высоты полёта самолётов в аэродромных службах применяются многолучевые антенны на базе зеркальных рефлекторов со смещёнными облучателями по числу каналов. Для получения нескольких независимых лучей используются также диэлектрические линзы Люнеберга и металловоздушные линзы Рейнгольда. Но наибольшее распространение получили антенны типа ФАР. Число лучей или каналов, перекрывающих по углу рабочую зону, обычно не велико, но такие антенны обеспечивают определение приближённого местоположения цели по номеру канала. Для перекрытия больших углов, например при круговой обороне, могут применяться несколько РЛС с отведением каждой из них своего рабочего сектора. Внутри сектора используется быстрое сканирование либо многолучевое построение. Но при этом надо иметь в виду, что неизвестными при обнаружении цели являются не только её угловые координаты, но и дальность до цели и скорость её перемещения. Если условно поделить весь обслуживаемый данной РЛС угловой сектор на m элементов или каналов, интервал рабочих дальностей на n элементов, область возможных скоростей на p элементов, получим общий объём неопределённости, равный mnp элементов. Но вот гипотетически предположим, что элементы, внутри которых находится сигнал от цели, известны, т. е. известны номера mi, nj, pk. Как обнаружить полезный сигнал малой амплитуды на фоне неизбежных внутренних шумов приёмника или, что ещё хуже, внешней шумовой помехи? Ответ, вообще говоря, очевидный. Надо по возможности использовать все известные свойства полезного сигнала, которые априори отсутствуют в шуме. Обработка сигналов обычно ведётся на промежуточной частоте. Если кроме частоты нам известна фаза приходящего сигнала, то подключив к сигнальному входу фазового детектора принятый в шумах сигнал, а ко второму входу – опорное колебание той же частоты и в нужной фазе, получим на выходе после фильтрации видеосигнал с наложенными на него остатками шума. В отсутствии более мощного сигнала шумы на выходе детектора имеют существенно меньшую интенсивность. Подобная обработка сигналов называется когерентной ввиду того, что сохраняется жёсткая привязка их фазы. Теперь для установления факта обнаружения сигнала необходимо подать продетектированную смесь на пороговое устройство. Если порог превзойдён, сигнал есть, в противном случае его нет. Важнейшее значение имеет выбор порогового уровня. При низком уровне велика вероятность ложной тревоги Fлт. С повышением уровня порога снижается опасность индикации сигнала при его отсутствии. В теории используется метод максимального правдоподобия, а уровень порога определяется отношением правдоподобия (ОП). Кроме когерентной возможна некогерентная обработка сигналов. Она состоит в стробировании импульсного сигнала по дальности и накоплении импульсов. Вернёмся теперь к вопросу о том, как определить номер элемента координатной сетки, в котором предположительно находится полезный сигнал. Обзор элементов, в принципе, производится либо последовательно во времени, либо одновременно. В соответствии с этим различают поисковые и беспоисковые системы. При поиске по направлению (углу) обзор лучом антенны производится в заданном рабочем секторе со скоростью, обеспечивающей приём отражённых сигналов, их обработку и обнаружение. Преимуществом такого вида обзора является простота реализации: при одном сканирующем луче необходим одноканальный приёмник. Однако имеются и серьёзные недостатки, связанные с энергетическими и временными потерями при разворотах луча, а также, и это главное, со снижением быстроты поиска целей, вызванным затратами на обработку и обнаружение каждого сигнала. По-видимому, по этой причине во многих случаях предпочтение отдаётся беспоисковым способам секторного углового обзора. Тем не менее методы последовательного анализа и определения номера элемента, в котором обнаруживается сигнал цели, находят применение в каналах дальности и скорости. В таких системах полезный сигнал выделяется на фоне шумов путём его захвата из режима поиска. Устройство обнаружения наличия или отсутствия сигнала цели называется в системах с поиском индикатором захвата. Для повышения надёжности индикации используется не один, а несколько этапов обнаружения и различения сигнала – многоэтапный захват. Наибольшее распространение получили системы с двухэтапным захватом. В принципе, такие системы могут быть использованы для слежения за движущейся целью по любой из её координат. Однако чаще всего подобные системы применяются для слежения за доплеровской частотой отражённого сигнала. Доплеровская частота пропорциональна скорости движения цели, точнее она определяется отношением радиальной скорости объекта к длине волны, выраженной в единицах окружности. Основным параметром, определяющим поисковую систему, является среднее время поиска. Фактором, препятствующим уменьшению этого времени, является наличие шумов, внутренних или внешних. В некоторых случаях для снижения этой величины приходится идти на значительное увеличение отношения сигнала к шуму (с/ш). Выше мы упомянули о том, что весь просматриваемый диапазон частот скоростного канала может быть разбит на p элементов. Если разделить полосу каждого элемента, т. е. величину ∆fc = ∆f/p, на скорость поиска V, получим время анализа tA одной ячейки (элемента). Пусть сигнал находится в k-ой ячейке. Если бы шума не было, а вероятность правильного обнаружения сигнала равнялась единице, то время, затрачиваемое на поиск сигнала, легко считается: TПК = ktA. Однако вмешиваются два фактора, имеющих случайную природу. Первый фактор связан с наличием шума. Выброс шума в момент прохождения холостой ячейки (т. е. без сигнала) способен создать иллюзию наличия сигнала, а это означает, что нужен второй этап для анализа ситуации длительностью t0, превышающей среднюю длительность выброса огибающей шума. Учитывая среднее число ложных тревог в единицу времени λ, получим увеличение времени на анализ в (1 + λt0) раз. Кроме того, вследствие возможного пропуска сигнала цели при проходе всего диапазона, вводится среднее число проходов, необходимых для обнаружения сигнала, и время, затрачиваемое на эти проходы. Как видим, время анализа при поиске сигнала цели может существенно превысить величину, рассчитанную без учёта указанных выше факторов, что особенно ощутимо при большом числе элементов p. Следует также иметь в виду, что скорость поиска V выбирается с учётом времени переходных процессов в фильтре на выходе анализатора. Попытки увеличения скорости вне допустимых пределов обычно приводят к повышению вероятности пропуска сигнала цели. При одновременном анализе диапазона, состоящего из p элементов, часто используется весовое суммирование выходных данных и сравнение суммарного сигнала с порогом. При этом обнаруживаются сигналы тех каналов, которые превышают установленный порог. Величина порога, как и величина весовых коэффициентов при суммировании, могут выставляться, исходя из априорных данных или на основании полученной из других источников информации о вероятных значениях измеряемых координат или из единичных поисковых процедур, выявляющих наиболее опасные зоны. При адаптивном анализе имеется обратная связь, позволяющая корректировать параметры системы после каждого проведённого опыта. Система может наряду с обнаружением сигналов производить их приближённую оценку путём выбора максимального сигнала и фиксации номера канала, в котором он обнаружен.