ГЛАВА 8

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

8.1. Методы измерения угловых координат

Для измерения угловых координат в радиолокации и радионавигации используется радиопеленгование, т.е. определение направления на источник принимаемого радиосигнала.

Зависимость напряжения принимаемого радиосигнала от направления прихода радиоволн, заданного углами  в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно представить выражением

 При приеме сигнала на две или несколько разнесенных в пространстве антенн фазовый сдвиг сигналов, возбуждаемых в антеннах, определяется направлением прихода радиоволн. Методы определения направления измерением фазовых сдвигов сигналов в антеннах называются фазовыми. Применяются также комбинированные амплитудно-фазовые методы пеленгования.

При использовании частотной модуляции сигнала возможно использование и частотного метода определения направления. Этот метод иногда применяется совместно с амплитудным для повышения точности и разрешающей способности РЛС по угловым координатам.

Рассмотрим методы пеленгования, предполагая для упрощения выкладок, что источник сигнала и антенна приемника находятся в одной (горизонтальной) плоскости.

Фазовые методы. Эти методы основаны на измерении разности фаз колебаний, принимаемых двумя антеннами, разнесенными в пространстве (радиопеленгатор). Прием может осуществляться и на одну антенну, но тогда сигнал должен излучаться разнесенными антеннами (фазовый РМ).

Рассмотрим пеленгование объекта фазовым методом при использовании двух ненаправленных антенн А1 и А2 (рис. 8.1).

Следует заметить, что рассмотренный фазовый угломер с ненаправленными антеннами не обладает разрешающей способностью по углу, поскольку два или несколько источников сигнала, расположенных на различных направлениях, создадут в антеннах единый результирующий сигнал (если они неразделимы по другим параметрам), что исключает возможность их раздельного наблюдения и измерения пеленгов. Для разрешения сигналов по углу необходимо использовать антенны с достаточно узкой амплитудной характеристикой направленности.

Для определения азимута а и угла места р фазовый радиопеленгатор должен иметь две пары антенн с базами d₁ и d₂ соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, возможно измерение аир также с одинаковыми взаимно перпендикулярными базами, расположенными в горизонтальной плоскости. При этом  определяются измерением разности фаз первой и второй пары антенн  по формулам:

Если база первой пары совпадает с направлением север—юг, а второй — с направлением восток—запад, то угол а будет истинным  азимутом.

При использовании импульсных сигналов и многоканальной схемы обработки возможно определение направления в течение одного импульса, поэтому такие угломеры получили название моноимпульсных.

В моноимпульсных системах, которые широко применяются в радиолокации и подробнее рассмотрены далее, используются как фазовые, так и амплитудные методы пеленгования.

При больших размерах радиуса r вращение антенны А1 с требуемой угловой скоростью затруднительно и вместо одной движущейся антенны используются несколько неподвижных антенн, расположенных на окружности с радиусом г и поочередно подключаемых к входу приемника пеленгатора. В этом случае непрерывная модуляционная функция заменяется рядом ее дискретных значений. На основе теоремы Котельникова нетрудно определить, что для точного воспроизведения непрерывной функции расстояние d между соседними антеннами, расположенными по окружности, не должно превышать половины длины волны принимаемого сигнала.

Применение допплеровского"принципа возможно и в радиомаячных системах, в которых с помощью вращающейся антенны (или ряда неподвижных коммутируемых антенн), фаза излучаемого сигнала модулируется и параметры модуляции несут информацию об обратном пеленге объекта, извлекаемую при обработке сигнала, принимаемого приемоиндикатором на объекте. С ростом радиуса r пропорционально растет девиация частоты излучаемых маяком колебаний, что позволяет повысить помехоустойчивость системы и, в частности, уменьшить влияние на точность пеленгования отражений от местных объектов.

Амплитудные методы пеленгования. При пеленговании с помощью двух разнесенных ненаправленных антенн (см. рис. 8.1) могут быть использованы не только фазовые, но и амплитудные соотношения. Напряжения сигналов на выходе антенн А1 и А2 можно записать в виде:

позволяет определить направление по максимуму его амплитуды. Определение направления по максимуму амплитуды сигнала называется методом максимума.

Из выражения (8.9) очевидны существенные недостатки метода максимума:

· низкая пеленгационная чувствительность, поскольку пеленгование ведется в области максимума косинусоидальной функции, где ее крутизна минимальна;

· непосредственно не определяется сторона уклонения оси антенной системы от направления на объект;

· амплитуда суммарного сигнала зависит не только от величины отклонения а, но и от неизвестной амплитуды принимаемых сигналов.

Чувствительность пеленгования резко повышается при использовании разностного сигнала

Момент пеленга в этом случае соответствует минимальной амплитуде сигнала (равной 0), поэтому такой метод пеленгования называется методом минимума.

Метод минимума также обладает существенным недостатком, заключающемся в том, что в области пеленга результирующий сигнал U_р близок к нулю, что затрудняет его наблюдение и тем более использование для измерения дальности объекта при наличии шумов. Последнее особенно недопустимо применительно к РЛС, принимающим слабые отраженные сигналы. Поэтому использование метода минимума ограничивается радиопеленгаторами с рамочными антеннами, противоположные стороны которых (играющие роль антенн А1 и А2) включены встречно, благодаря чему на выходе рамки образуется разностный сигнал. В случае радиопеленгатора обычно принимается сильный сигнал РМ, что позволяет иметь в области пеленга достаточное для его измерения отношение сигнала к шуму.

Отношение разностного сигнала к суммарному создает пеленгационную характеристику

позволяющую исключить влияние изменяющейся амплитуды входных сигналов, определить сторону уклонения (тангенс — функция нечетная) и обеспечить высокую точность пеленгования, так как крутизна пеленгационной характеристики в рабочей области (а = 0)

выбором базы угломера d.

Кроме того, наличие суммарного сигнала позволяет наблюдать объект на экране индикатора в момент пеленгования и измерять его дальность.

Рассмотренный вариант амплитудного метода пеленгования называется суммарно-разностным. Достоинства суммарно-разностного метода обеспечили его широкое применение в моноимпульсных РЛС. В радиолокации кроме точности пеленгования большое значение имеет и угловая разрешающая способность, определяемая шириной диаграммы направленности антенны , а в конечном счете, относительным раскрывом антенны поскольку В PЛC, работающих в сантиметровом диапазоне волн, можно создать остронаправленные антенны, что позволяет при использовании амплитудных методов пеленгования обеспечить достаточно высокую точность в сочетании с высокой разрешающей способностью и однозначностью отсчета при измерении угловых координат.

Метод максимума применяется преимущественно в обзорных РЛС, ДН которых при сканировании проходит направление на объект. Если объект имеет малую протяженность сравнительно с шириной ДН (малоразмерная или точечная цель, рис. 8.2, а), а отраженный или переизлученный сигнал не флуктуирует, то амплитуда сигнала на входе приемника РЛС изменяется в соответствии с формой ДН  (рис. 8.2, б). Анализ огибающей принимаемого сигнала позволяет зафиксировать максимум амплитуды сигнала и определить соответствующее ему направление на объект. В связи с этим метод максимума часто называется методом анализа огибающей.

При работе по отраженному сигналу и применении одной антенны ДН участвует в формировании огибающей и при излучении, и при приеме сигнала, поэтому пеленгационной характеристикой будет результирующая диаграмма равная произведению диаграмм при передаче и приеме сигнала, т.е.

Для получения высокой точности пеленгования по максимуму сигнала необходимы очень узкие ДН, применение которых не всегда возможно как вследствие трудностей обеспечения необходимой

величины относительного раскрыва антенны, так и в связи с возрастанием времени обзора заданного сектора пространства. Значительно более высокую точность при той же ширине ДН дает метод сравнения амплитуд, который чаще называется равно- сигнальным методом. При равносигнальном методе производится сравнение амплитуд сигналов, принимаемых в двух положениях ДНА (рис. 8.3). Если направление на объект совпадает с линией, проходящей через точку пересечения диаграмм (равносигнальное направление), то амплитуды сигналов, соответствующие первой и второй диаграммам, равны и разностный сигнал

будет равен нулю. При наличии рассогласования Да между направлением на объект и равносигнальным направлением появляется разностный сигнал, величина и знак которого определяются величиной и знаком .

Выбирая угол смещения диаграмм у таким, чтобы диаграммы пересекались в области высокой крутизны спада, можно получить высокую точность пеленгования.

Сравнение сигналов может осуществляться последовательно в Двух положениях одной и той же ДН (одноканальная схема с последовательным сравнением) или для двух одновременно создаваемых и пересекающихся ДН (двухканальная схема одновременного сравнения). Благодаря одновременности сравнения двухканальная схема позволяет исключить дополнительные погрешности, связанные с флуктуациями амплитуды принимаемых сигналов, и находит широкое применение в РЛС.

Комбинированные методы пеленгования. Из возможных комбинированных методов пеленгования наиболее широкое применение находит амплитудно-фазовый, используемый в радиопеленгаторах, системах ближней навигации и моноимпульсных РЛС.

приемоиндикаторе сравнением с опорным напряжением на частоте , которое передается с помощью частотной модуляции поднесущей, в свою очередь модулирующей по амплитуде колебания, излучаемые ненаправленной антенной А1.

В приемнике опорное напряжение частоты выделяется частотным детектором и подается далее на фазовый детектор, измеряющий фазу .

В радиосистемах ближайшей навигации используется также амплитудно-временной метод пеленгования, при котором в момент прохождения оси вращающейся ДН начального (например, северного) направления ненаправленная антенна излучает специальный (северный) сигнал. При известной и постоянной скорости вращения ДН в момент совмещения ее оси с направлением на объект (например, равносигнальным методом) можно определить обратный пеленг по числу измерительных импульсов, излучаемых ненаправленной антенной маяка с интервалами, соответствующими, например, одному градусу поворота ДН (одноградусные импульсы).

В последние годы нашел применение и частотный метод определения направления в комбинации с фазовым. Он использован в микроволновой допплеровской системе посадки для определения угла места снижающегося самолета.

В глиссадный РМ с такой системой посадки используются две антенны (рис. 8.5): неподвижная А1 и «перемещаемая» поступательно со скоростью v антенна А2. На самом деле А2 также неподвижна, а эффект перемещения создается последовательным переключением ряда излучателей И₁... Иn, из которых состоит антенна А2. При этом напряженность поля, создаваемого антенной А2 в Месте приема (на самолете), можно записать в виде

излучаемых антенной А1, то допплеровский сдвиг частоты за счет собственной скорости самолета при измерении компенсируется и его можно при рассмотрении не учитывать.

В заключение заметим, что рассмотренные методы измерения угловых координат не исчерпывают всего разнообразия практически используемых вариантов построения угломерных систем.

8.2. Точность измерения угловых координат. Пространственно-временная обработка сигналов

Характеристики потенциальной точности измерения угловых координат и разрешающей способности при больших отношениях сигнал/шум определяются границами Крамера—Рао и зависят в общем случае от характеристик излучаемых (или принимаемых в системах радионавигации или пассивной локации) сигналов, характеризуемых комплексной огибающей шумов, как внутренних, так и внешних, и параметров антенной системы.

Для того чтобы не потерять информацию, содержащуюся в принятом сигнале, его необходимо рассматривать как функцию времени и пространства. Поэтому оптимальные процедуры обнаружения сигнала, оценки параметров и разрешения базируются на пространственно-временной обработке поля в области раскрыва антенной системы.

Формулы (8.18) и (8.19) с точностью до обозначений совпадают с выражениями для дисперсий совместных оценок временного запаздывания и допплеровского сдвига спектра F (см. формулы (4.18) и (4.19)).

Это позволяет говорить об универсальном характере совместного оценивания двух произвольных неэнергетических параметров сигнала методом МП при больших значениях отношения сигнал/шум

При этом относительный раскрыв антенны определяет потенциальные значения точности и разрешающей способности при измерении угловых координат, играя роль ширины спектра сигнала при измерении дальности. Поэтому аналогично сжатию импульсов при частотной или фазовой модуляции его несущей можно осуществить сжатие ДНА при наличии пространственной фазовой или частотной модуляции.

При фазовой модуляции используется ФАР, на элементы которой подаются высокочастотные колебания с фазами, обеспечивающими равномерное облучение всего заданного сектора обзора.

В приемный тракт каждого элемента вводятся фазовращатели, компенсирующие фазовый сдвиг при излучении. При этом ДНА сжимается до величины, обратной ширине углового спектра  при наличии пространственной фазовой модуляции.

Пространственная частотная модуляция используется для сжатия ДНА и повышения угловой разрешающей способности в РЛС бокового обзора с синтезированным раскрывом, рассмотренным в подразд. 8.5.

8.3. Автоматическое сопровождение цели по угловым координатам

Различают два типа РЛС автоматического сопровождения цели по угловым координатам.

В РЛС автоматического сопровождения единственной цели (SST — Single Target Tracker) осуществляется непрерывное совмещение оси антенной системы с направлением на цель, выбранную в предшествующем режиме поиска по дальности и угловым координатам. При переходе в режим точного сопровождения селекторный импульс по дальности определяет выбранную цель на данном направлении. После этого замкнутые следящие системы по дальности и угловым координатам осуществляют непрерывное слежение за перемещением цели.

В РЛС второго типа автоматическое сопровождение осуществляется в режиме обзора, т.е. ДНА продолжает сканирование в заданном секторе и определение угловых координат производится в моменты, когда ось ДНА (точнее опорное направление) проходит направление на цель. При этом система работает в разомкнутом режиме и возможно осуществлять автоматическое сопровождение одновременно нескольких объектов. Различают две разновидности таких РЛС: РЛС автоматического обнаружения и сопровождения (ADT — Automatic Detection and Tracking) и РЛС автоматического сопровождения при сканировании ДНА в узком секторе обзора (TWS — Track While Scan).

Автоматическое сопровождение единственной цели применяется в РЛС различного назначения, так как может обеспечить высокую точность и помехоустойчивость. Поэтому сначала целесообразно подробно рассмотреть следящие измерители направления, а затем обсудить особенности автоматического сопровождения в процессе обзора.

Следящие измерители направления. Задачей следящего измерителя направления (СИН) является непрерывное совмещение опорного направления антенны измерителя с направлением прихода волны от источника сигнала к антенне измерителя.

Таким образом, СИН имеет два канала, осуществляющих слежение в азимутальной плоскости (по направляющему косинусу и по углу места (по направляющему косинусу Каждый канал содержит угловой дискриминатор, экстраполятор и синтезатор поворота, образующие замкнутую следящую систему по угловой координате. Угловой дискриминатор вырабатывает сигнал, пропорциональный рассогласованию между направлением на источник излучения (цель) и опорным направлением. Экстраполятор преобразует сигнал рассогласования, обеспечивая требуемый закон управления синтезатором поворота, совмещающим опорное направление с направлением на цель. Поворот опорной оси может осуществляться поворотом всей антенной системы или ее элементов с помощью электродвигателя, являющегося в этом случае синтезатором поворота и одновременно последним, а иногда и единственным интегратором в схеме экстраполятора. При электронном управлении (в случае применения ФАР) синтезатор поворота изменяет угол наклона фазовой характеристики антенны относительно раскрыва до совмещения опорной оси с направлением на пеленгуемый объект. Оценкой этого направления является направляющий косинус угла смещения опорной оси относительно раскрыва антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно. Дискриминатор является устройство нелинейным, поэтому для упрощения анализа предполагают его работу при больших отношениях сигнала к шуму и малых рассогласованиях измеряемого и опорного параметров, что позволяет воспользоваться результатами линейной теории. В этом случае дискриминационная характеристика углового дискриминатора может быть представлена формулой

Оптимальный угловой дискриминатор является амплитудно- фазовым, поскольку его характеристика (см. формулу (8.20)) зависит от амплитудных и фазовых соотношений. В реальных системах используются подоптимальные амплитудные (разностный и суммарно-разностный) и фазовые дискриминаторы. Такие дискриминаторы применяются, например, в моноимпульсных СИН, принцип действия которых будет рассмотрен далее.

При измерении двух угловых координат ФАР и угловой дискриминатор становятся двухмерными. В этом случае в канале каждого элемента ФАР предусматриваются два отвода с весовыми коэффициентами , соответствующими измерительным каналам азимута и угла места. Опорный канал является общим.

Для управления фазовращателями поворота опорной оси антенны применяется также двухмерный синтезатор поворота.

При использовании многоэлементной ФАР синтезатор поворота строится обычно на основе цифрового процессора, который преобразует выходные данные экстраполяторов каналов азимута  в цифровой код, требуемый для управления фазой каждого элемента ФАР. При этом программа процессора обеспечивает максимальное приближение закона изменения фазы по раскрыву антенны к линейному.

Характеристики передачи экстраполяторов азимута и угла места (порядок астатизма, быстродействие) выбираются в соответствии с параметрами движения сопровождаемых целей.

Одноканальные следящие измерители направления с коническим сканированием. Одноканальные СИН наиболее просты и получили широкое применение в PJIC с автоматическим сопровождением воздушных и космических объектов, а также в радиоастрономических пеленгаторах. Построение таких измерителей рассмотрим на ставшем классическим примере импульсной РЛС орудийной наводки, в которой впервые было применено автоматическое сопровождение. Антенна РЛС формирует ДН, отклоненную от оси антенной системы на угол , не превышающий половины ее ширины . При вращении ДНА образуется равносигнальная ось (рис. 8.8, а), совпадающая с осью антенны и задающая опорное направление. При его отклонении от направления на цель амплиту

в данном случае используются двигатели, исполняющие также роль интеграторов, которые вместе со специальной схемой усиления и составляют экстраполятор в каждом из каналов СИН. Заметим также, что используемый угловой дискриминатор является суммарно-разностн ы м.

Выбор сопровождаемой цели осуществляется селекторным импульсом, поступающим от системы измерения дальности цели на приемный канал СИН. Сигнальные импульсы выбранной цели с выхода приемника подаются на пиковый детектор, который выделяет первую гармонику огибающей Специальный фильтр, настроенный на частоту сканирования , позволяет уменьшить искажения напряжения сигнала рассогласования, вызванные флуктуациями амплитуды отраженного сигнала из-за флуктуаций ЭПР цели и воздействия помех.

Такие искажения могут быть вызваны также умышленными помехами с большой спектральной плотностью вблизи частоты сканирования. В связи с этим применяются системы со скрытой частотой сканирования (диаграмма сканирует только при приеме), обладающие более высокой помехозащищенностью из-за невозможности определить частоту сканирования, а следовательно, и создать эффективную прицельную помеху. Однако наличие флуктуаций сигналов снижает точность сопровождения цели. Снижается точность сопровождения (особенно быстро маневрирующей цели) и из-за значительной инерционности схемы выделения огибающей сигнала рассогласования. Эти недостатки СИН с коническим сканированием, обусловленные последовательным методом сравнения сигналов рассогласования, привели к постепенному переходу к более совершенным моноимпульсным измерителям с одновременным сравнением сигналов рассогласования.

Моноимпульсные измерители угловых координат. Принципиально устранение влияния флуктуаций амплитуды сигнала возможно при сравнении амплитуд или фаз сигналов, принятых по двум или нескольким каналам. При использовании импульсного сигнала метод одновременного сравнения амплитуд или фаз сигналов на выходах каналов называется моноимпульсным, а РЛС и системы управления, в которых применяется этот метод, носят название моноимпульсных.

Моноимпульсные системы, разработанные первоначально как средство устранения погрешностей СИН из-за флуктуаций амплитуды сигнала, обнаружили ряд ценных свойств, позволивших расширить область их применения. Оказалось, например, возможным использование моноимпульсной системы для одновременного определения координат нескольких объектов, находящихся в пределах ДНА. В моноимпульсной системе возможно также применение компенсационных методов подавления помех, приходящих к антенне с определенного направления.

При определении направления в одной плоскости моноимпульсная система должна иметь две пересекающихся и формируемых одновременно ДНА. Каждой из них соответствует свой приемоусилительный канал. Сравнение амплитуды или фазы сигналов на выходе каналов позволяет определить направление на источник сигнала, возможно также использование суммы и разности сигналов, образуемых непосредственно после антенной системы и обрабатываемых далее двумя приемными каналами: суммарным и разностным. В зависимости от используемого метода сравнения сигналов и выделения сигнала рассогласования моноимпульсные системы имеют три разновидности: фазовые, амплитудные и суммарно-разностные.

Система с фазовой пеленгацией (рис. 8.10) имеет антенную систему с двумя разнесенными на некоторое расстояние фазовыми центрами. Практически два фазовых центра могут быть получены, например, с помощью двух разнесенных на расстояние d антенн, при этом оси диаграмм направленности параллельны. Если пеленгование производится в азимутальной плоскости, а ДНА одинаковы и описываются функциями то напряжения на выходе антенн первого и второго каналов:

Полученная зависимость имеет вид характеристики дискриминатора. Равносигнальному направлению, перпендикулярному к базе и проходящему через ее середину, соответствует нулевое рассогласование a = 0. При неидентичных и нестабильных фазовых характеристиках каналов равносигнальное направление будет определяться с погрешностью, что является недостатком фазового метода.

Сигнал рассогласования с выхода ФД подается на следящую систему, которая непрерывно совмещает равносигнальную ось с направлением на сопровождаемый объект. При относительно небольших изменениях угла рассогласования а слежение можно осуществлять изменением фазового сдвига в одном из каналов с помощью фазовращателя. При этом антенная система остается неподвижной, что позволяет снизить инерционность системы и обеспечить ее высокое быстродействие, точность и устойчивость. Применяя ферритовый фазовращатель, можно управлять фазовым сдвигом путем изменения магнитного поля. В этом случае из следящей системы исключаются двигатели, что способствует повышению ее быстродействия и позволяет сделать систему компактной, легкой, надежной и экономичной, а также бесшумной.

Моноимпульсный измеритель с амплитудной пеленгацией (рис. 8.11) имеет антенну, формирующую две пересекающихся ДН, образующих равносигнальное направление, совпадающее с осью антенны.

Если направление на источник сигнала лежит в азимутальной плоскости и отклонено от равносигнальной оси на угол а, то напряжения на выходе облучателей А1 и А2 антенн:

ются только амплитуды сигналов на входе приемных каналов и разность амплитуд является мерой угла рассогласования а. Для уменьшения влияния изменений интенсивности принимаемого сигнала и коэффициента усиления каналов на величину измеряемого угла применяется вычитание сигналов, усиленных УПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой и продетектированных линейным детектором. В этом случае мерой угла рассогласования а является отношение амплитуд сигналов на выходе приемных каналов (детекторов):

где — коэффициент передачи вычитающего устройства; U₀ — начальное напряжение на выходе логарифмического усилителя.

Выражение (8.23), описывающее пеленгационную характеристику системы, показывает, что ее крутизна зависит от крутизны ДНА в окрестности равносигнального направления, коэффициента передачи вычитающего устройства и характеристики логарифмического усилителя. Таким образом, зависимость измеряемого угла от интенсивности принимаемого сигнала при использовании логарифмических усилителей исключается. Однако неравенство коэффициентов усиления каналов и их нестабильность приводят к погрешностям в определении равносигнального направления, на что указывает зависимость сигнала рассогласования от начального напряжения на выходе усилителей.

При автоматическом сопровождении совмещение равносигнальной оси с направлением на объект обычно производится поворотом антенны с помощью следящей системы. Для управления положением равносигнальной оси в небольших пределах можно использовать также изменение коэффициента усиления одного из каналов, которое обратно пропорционально величине сигнала рассогласования на выходе вычитающего устройства.

Суммарно-разностный моноимпульсный измеритель является наиболее совершенным, так как теоретически позволяет исключить влияние изменений амплитуды и фазы принимаемых сигналов на стабильность равносигнального направления и пеленгационной характеристики и тем самым обеспечить наибольшую точность определения направления. При суммарноразностной обработке обычно сравниваются амплитуды сигналов, а для исключения влияния неравенства и нестабильности коэффициентов усиления каналов сравнение амплитуд производится до приемных каналов с помощью высокочастотных мостовых схем. Эти схемы выполняются на волноводах или коаксиальных линиях в зависимости от рабочего диапазона системы и называются гибридным кольцом или волноводным Т-образным мостом.

Принцип действия суммарно-разностного измерителя поясняет структурная схема, представленная на рис. 8.12. Излучатели антенн А1 и А2, симметрично смещенные относительно фокуса зеркала, как и в амплитудном варианте измерителя, подсоединены к точкам суммарно-разностного моста. Расстояния одинаковы, поэтому при излучении импульса энергия высокочастотных колебаний от передатчика распределится поровну между излучателями антенн А1 и А2 и они работают синфазно, формируя суммарную ДНА представленную на рис. 8.13, а в полярной и прямоугольной системах координат.

В режиме приема сигналы, принятые излучателями антены А1 и А2 (см. рис. 8.12), приходят в точку с моста с сохранением относительного фазового сдвига и суммируются. При этом зависимость суммарного напряжения от угла рассогласования а аналогична суммарной ДНА при излучении.

В точке р моста, отстоящей от отвода дальше, чем от отвода , образуется разностное напряжение , так как сигналы приходят сюда со сдвигом на 180°. Суммарный и разностный сигналы поступают на входы суммарного и разностного приемных каналов. Зависимость отображает разностную диаграмму представленную на рис. 8.13, б в полярной и прямоугольной системах координат. Если объект отклонен от равносигнального направления в сторону А1, фаза разностного сигнала противоположна фазе суммарного, а при отклонении в сторону А2 фазы сигналов совпадают. При расположении объекта на равносигнальной оси . Таким образом, разностная диаграмма аналогична дискриминационной характеристике и показывает величину и знак рассогласования.

Для выявления величины и знака рассогласования в разностном канале применяется фазовый детектор, в котором в качестве опорного используется сигнал на выходе УПЧ суммарного канала. После амплитудного детектирования суммарный сигнал используется также для обнаружения объекта и измерения его дальности.

Для исключения влияния изменения амплитуды сигнала на крутизну пеленгационной характеристики системы применяется быстродействующая АРУ, которая действует по суммарному сигналу и изменяет усиление каналов обратно пропорционально входному напряжению суммарного канала. При этом напряжение на выходе суммарного канала остается постоянным, а выходное напряжение разностного канала изменяется обратно пропорционально напряжению на выходе суммарного канала . Поскольку выходное напряжение ФД пропорционально среднему значению произведения  напряжений на выходах суммарного и разностного каналов, при эффективной работе БАРУ напряжение

Таким образом, пеленгационная характеристика суммарно-разностного измерителя определяется отношением разности сигналов к их сумме, вследствие чего неидентичность амплитудных характеристик влияет только на крутизну характеристики, но не на положение равносигнальной оси. Этим существенно уменьшается влияние флуктуаций амплитуды сигналов. Фазовые нестабильности также мало влияют на точность, поскольку в системе используется сравнение амплитуды сигналов.

Большая стабильность равносигнального направления и связанная с этим высокая точность являются существенным достоинством суммарно-разностного метода, обеспечившим его широкое применение в моноимпульсных СИН.

В случае двухмерного слежения по азимуту и углу места измеряются рассогласования по а и (3. Антенна имеет четыре рупорных излучателя А1 и А2, A3 и А4, симметрично смешенных относительно фокуса зеркала, обеспечивающего формирование двух пар смещенных ДНА (рис. 8.14).

Измеритель имеет четыре суммарно-разностных моста: для образования разностных сигналов по а и (3 и для формирования общего суммарного сигнала. Разностный выход четвертого моста замкнут на поглощающую нагрузку Н. Приемное устройство содержит три приемных канала: суммарный и два разностных.

Выделенные на выходе фазовых детекторов напряжения рассогласования по с помощью следящих систем управляют положением равносигнальной оси, непрерывно совмещая ее с направлением на сопровождаемый объект.

При применении в высокочастотном тракте моноимпульсной PJIC волноводов в качестве фазирующих мостов используются гибридные волноводные соединители.

В заключение заметим, что моноимпульсная система может быть использована также для поиска цели и для одновременного измерения координат нескольких целей.

Итак, основным назначением СИН является точное и непрерывное измерение угловых координат объекта, поэтому остановимся подробнее на способах уменьшения влияния причин, вызывающих ее снижение. Основными факторами, ограничивающими точность СИН, являются:

· мерцание, или угловой шум цели;

· шумы приемника;

· активные и пассивные помехи;

· флуктуации амплитуды отраженных сигналов;

· отражения от подстилающей поверхности при сопровождении низколетящих целей;

· электрические и механические нестабильности аппаратуры СИН.

Угловой шум возникает при наличии нескольких центров отражения («блестящих точек») в пределах разрешаемого объема РЛС (см. подразд. 2.2). При взаимном движении объекта и РЛС опорное направление может перемещаться с одного центра на другой, при этом возникают его случайные отклонения, называемые угловым шумом или мерцанием. Величина этих отклонений возрастает с увеличением размеров сопровождаемой цели и уменьшением дальности до нее.

Снизить погрешность СИН, вызванную угловым шумом, можно применением ряда мер. Наиболее действенным является повышение разрешающей способности РЛС, т.е. сокращение разрешаемого объема, что уменьшает вероятность появления нескольких центров отражения в пределах этого объема, а при их наличии амплитуда углового шума уменьшается с повышением углового разрешения.

Снижается погрешность из-за углового шума также и при уменьшении полосы пропускания следящей системы. Однако при этом уменьшается ее быстродействие, что недопустимо при сопровождении быстро маневрирующих целей. То же можно сказать о постоянной времени АРУ, увеличение которой ведет к снижению влияния углового шума, но ухудшает сглаживание флуктуаций амплитуды сигналов.

Таким образом, при выборе параметров СИН приходится учитывать много взаимодействующих факторов.

Шумовые помехи и прежде всего собственный шум приемника ограничивают точность СИН.

Теоретически среднеквадратическую погрешность измерения углового направления можно оценить по формуле

амплитуд и ограничивающую точность СИН с коническим сканированием. Прямая НА отображает погрешности, вызванные различными нестабильностями работы элементов аппаратуры. При этом учтено, что погрешность измерения угловых координат обратно пропорциональна корню квадратному из q и, следовательно, пропорциональна квадрату дальности до цели. Зависимости носят качественный характер и представлены в относительных единицах. Однако они наглядно показывают воздействие различных факторов на погрешность СИН, которая минимальна на средней дальности до цели D_cp и возрастает при ее увеличении или уменьшении относительно D_cp. Погрешность СИН при сопровождении низколетящих самолетов, вертолетов, крылатых ракет и других объектов при малых углах^- места центра отражения цели относительно подстилающей поверхности заслуживает особого рассмотрения. В этих случаях в зоне облучения появляется второй центр отражения, связанный с зеркальным отражением от подстилающей поверхности. В общем случае погрешность обусловлена многопутевостью приходящих к антенне сигналов и зависит от угла места сопровождаемой цели и параметров ДНА PJ1C (ширины ее главного лепестка и уровня боковых лепестков).

Различают три характерных ситуации. Первая возникает при углах места р  когда начинают действовать отражения по боковым лепесткам ДНА. Вторая — при  когда действуют сильные отраженные сигналы по главному лепестку ДНА. При  прямой и отраженный сигналы примерно одинаковы по амплитуде, но сильно различаются по фазе (при зеркальном отражении и вертикальной поляризации на , что приводит к снижению отношения сигнала к шуму. С изменением дальности погрешность циклически изменяется, увеличиваясь при увеличении дальности в сторону зеркального изображения цели.

Снижение погрешности СИН при малых р может быть достигнуто сужением главного лепестка ДНА (уменьшением . В некоторых случаях полезен переход к незамкнутой системе слежения по  с фиксированным положением оси антенной системы на уровне 0,7...0,8 при сохранении замкнутого режима слежения по азимуту. Это позволяет ограничить погрешность СИН по углу места на уровне, не превышающем 0,З, и таким образом избежать потерь цели (выход из режима слежения).

При моноимпульсном СИН возможно использовать подавление сигнала, отраженного от поверхности, созданием дополнительного провала в разностной ДНА, что вполне возможно при применении ФАР. В случае зеркальной антенны для создания нулевого провала потребуется дополнительная пара облучателей, смещенных относительно фокуса зеркала в вертикальной плоскости.

Для борьбы с отраженными сигналами полезно также повышение разрешающей способности РЛС по дальности и скорости, что создает возможность отделения прямого сигнала от отраженного. В некоторых случаях полезна смена поляризации сигнала, если эта возможность предусмотрена при создании СИН. Надо заметить, что проблеме повышения точности сопровождения цели при малых углах места посвящено много научных трудов. При этом рассматривалась возможность сверхразрешения по угловым координатам за счет анализа спектра приходящих сигналов. К сожалению этот метод хорош для разделения некоррелированных сигналов (что используется в радиоастрономии) и не эффективен в случае разрешения коррелированных прямого и отраженного сигналов.

Таким образом, наиболее эффективным методом повышения точности СИН (особенно при сопровождении целей на малых углах места) является сужение ДНА, что при ограниченных размерах раскрыва возможно лишь при укорочении длины волны РЛС. Далее рассмотрена РЛС миллиметрового диапазона, в которой решены многие проблемы, связанные с повышением точности и разрешающей способности при измерении угловых координат.

Обратимся теперь к РЛС, осуществляющим автоматическое сопровождение целей в режиме обзора заданной области пространства. Вначале рассмотрим РЛС автоматического обнаружения и сопровождения (ADT) в режиме кругового обзора (КО). Такие РЛС используются в системах УВД и ПВО. Они могут быть двухкоординатными и трехкоординатными. В первых применяется КО, причем ДНА перекрывает весь заданный сектор обзора по углу места. КО осуществляется чаще всего поворотом антенны зеркального типа с угловой скоростью порядка 5... 20 об/мин. В трехкоординатных РЛС используются ДНА карандашного типа, осуществляющие винтовой обзор: круговой по азимуту и в заданном секторе по углу места. При использовании ФАР электронное управление положением ДНА может сочетаться с механическим поворотом ФАР. Особенностью таких систем является низкий темп обновления информации, определяемый временем обзора порядка 3... 12 с.

Обнаружение целей и начальное определение дальности и азимута в двухкоординатной РЛС осуществляется обычно с помощью ИКО, что позволяет выбрать цели для сопровождения с помощью цифровых процессоров. Выбор целей осуществляется селекторными импульсами по дальности и азимуту. В отличие от систем непрерывного сопровождения, в которых информация обновляется с частотой повторения зондирующих импульсов и селекторные импульсы по дальности имеют длительность, немного превышающую длительность сигнала (а по угловым координатам — ширину ДНА), селекторные импульсы в системах сопровождения при сохранении режима обзора должны перекрывать широкую зону, превышающую величину возможного изменения соответствующей координаты за время обзора. Конечно это ухудшает помехозащищенность РЛС и точность определения координат. Этот недостаток восполняется возможностью сопровождения одновременно нескольких выбранных объектов, координаты которых непрерывно определяются цифровым процессором. На выходе процессора формируются траектории движения целей на основе вычисляемых координат. Построение траекторий производится в процессе поступления отметок целей в пределы соответствующих селекторных импульсов, которые в режиме сопровождения следуют за перемещением целей. При этом осуществляются в цифровом виде функции следящей системы. Применение ФАР позволяет осуществить моноимпульсный режим сопровождения нескольких целей при сохранении обзора. Это возможно при наличии большого числа элементов ФАР, группируемых и управляемых в соответствии с заданными алгоритмами. Управление при этом производится от компьютера, что позволяет оперативно управлять работой РЛС. По этому принципу построены РЛС, используемые в системах ПВО и ПРО.

РЛС сопровождения целей при сканировании ДНА в сравнительно узком секторе (TWS) позволяют при наличии ФАР осуществлять достаточно точное сопровождение одновременно нескольких целей. Сужение сектора обзора позволяет существенно снизить время обзора, а следовательно, и интервал обновления информации. В РЛС системы управления посадкой используются два ортогональных веерных луча, сканирующих по азимуту в секторе и углу места в секторе Сканирование сектора осуществляется всего за 0,5 с.

В другой более совершенной посадочной РЛС с ФАР формируется несколько лучей карандашной формы, сканирующих в секторе позволяющих осуществлять слежение одновременно за шестью ЛА с частотой съема данных 20 Гц. РЛС подобного типа используются и для управления ракетами. Конечно, РЛС, обеспечивающие обзор и одновременно точное определение координат нескольких объектов, должны иметь большое число элементов ФАР, управляемых от компьютера, сложные устройства высокочастотного тракта и требуют увеличения мощности по сравнению с СИН сопровождения одной цели при одинаковой дальности действия.

В последние годы использование сложных ФАР позволяет создавать РЛС с автоматическим сопровождением многих целей с точностью, которую раньше можно было получать только при сопровождении одной цели. Так, в известной американской подвижной РЛС MOTR (Multiple Object Tracking Radar) использована ФАР с диаметром апертуры 3,6 м, обеспечивающая формирование карандашной ДН шириной  (РЛС работает в диапазоне 5 см). В РЛС применяется четырехрупорное облучение апертуры ФАР, что позволяет формировать группы из четырех смещенных диаграмм, обеспечивающих автоматическое сопровождение одновременно десяти целей в моноимпульсном режиме. Благодаря этому точность определения направления достигает 0,01°, причем точное определение возможно через 1 с после обнаружения цели. В РЛС предусмотрен электромеханический поворот апертуры ФАР вместе с ее сектором сканирования в телесном угле 60° в любом направлении в верхней полусфере околоземного пространства.

8.4. РЛС миллиметрового диапазона «Руза» для обнаружения и сопровождения объектов в околоземном пространстве

Радиолокационная станция «Руза» была создана в СССР в 1987—1989 гг. Переход в миллиметровый диапазон радиоволн позволил создать РЛС с возможностью одновременного сопровождения до 30 объектов с погрешностью определения направления всего 0,2' и дальностью обнаружения объектов с ЭПР, равной 0,01 м², достигающей 420 км.

Получить такие выдающиеся результаты позволило применение ФАР с раскрывом 7,2 м, имеющей 120 подвижных антенных модулей с индивидуальной регулировкой амплитуды и фазы колебаний. Антенные модули питаются от двух передатчиков, обеспечивающих излучаемую мощность при сложении в пространстве  При синфазной работе всех модулей ФАР формируется ДН шириной, не превышающей 5', что обеспечивает высокую угловую разрешающую способность и возможность обнаруживать космические объекты на высоких орбитах на расстояниях до 4000 км.

Высокая точность сопровождения по направлению обеспечивается использованием моноимпульсного метода, а высокая точность и разрешающая способность по дальности

— применением широкополосных сигналов. РЛС представляет собой сложнейшую систему, элементы которой управляются от специализированного процессора в соответствии с программами заданных режимов функционирования.

На рис. 8.16 представлена упрощенная структурная схема РЛС. Два передатчика РЛС мощностью по 500 кВт синхронизируются от задающего генератора. Каждый из передатчиков имеет четыре каскада усиления. Первые два каскада выполнены на лампах бегущей волны, два последних на гироклистронах. Гироклистроны являются наиболее мощными и эффективными генераторами колебаний в миллиметровом диапазоне. Их отличие от клистронов

 заключается в наличии сильного осевого магнитного поля, благодаря которому пучок электронов приобретает вид спирали вокруг линий магнитного поля. Наличие нескольких резонаторов и циклотронный характер орбит электронов обеспечивают их эффективное группирование. При очень сильном магнитном поле (порядка 1,5 Тл) гироклистроны дают на выходе мощность до 1 МВт в импульсе при полосе до 600 МГц и КПД до 30%. Однако для получения таких сильных магнитных полей приходится охлаждать соленоид, возбуждающий магнитное поле, до 4,2 К в криостате для создания условий сверхпроводимости, обеспечивающей требуемую силу тока.

Высокочастотные колебания передатчиков через делители мощности 1 :2 и 1:31 подводятся к 120 антенным модулям (31-й выход каждого из четырех делителей используется для контроля). Модули состоят из антенны, антенного переключателя на газовом разряднике, фазовращателей в передающем и приемном трактах, предварительного усилителя принимаемых сигналов и диодной защиты на его входе.

Для излучения колебаний в модулях используется антенна типа Кассегрена, в которой главный параболический рефлектор (усеченный) облучается высокочастотными колебаниями, отраженными гиперболическим отражателем, помещенным в фокусе главного рефлектора. Колебания от передатчика подводятся к антенне по волноводу, через открытый конец которого (рупор) и облучается гиперболический отражатель (рис. 8.17). Важным преимуществом антенны Кассегрена при использовании моноимпульсного метода является возможность размещения сложной волноводной системы за параболическим рефлектором. Укорочение фидерной линии существенно также для снижения уровня шума, т.е. повышения чувствительности приемного устройства.

Антенна Кассегрена позволяет также управлять поляризацией излучаемых волн, что имеет большое значение для идентификации космических объектов.

Управление амплитудой и фазой колебаний при их передаче и приеме с помощью цифрового процессора позволяет формировать ДН ФАР в соответствии с программой функционирования системы.

Управление положением ДН возможно также механическим поворотом ФАР в горизонтальной плоскости в секторе ±135° и в вертикальной плоскости в пределах от 2 до 178°. Таким образом, возможен обзор почти всего пространства вокруг PJ1C. Кроме того, возможно управлять положением и формой ДН поворотом отдельных антенных модулей. При электронном сканировании ДН изменением фазы и амплитуды колебаний при передаче и приеме перекрывается телесный угол в 1°. Цифровые сигналы, управляющие сканированием, подаются от цифрового процессора на  регуляторы

амплитуды и фазовращатели в соответствии с программой.

В режиме приема путем создания групп (кластеров) из четырех соседних модулей возможно формировать суммарную и две разностных диаграммы направленности, необходимые для сопровождения целей по направлению моноимпульсным методом. При 120 модулях ФАР можно образовать 30 таких кластеров, что позволяет осуществить сопровождение одновременно до 30 целей. При этом суммарная диаграмма используется и для слежения за каждой целью по дальности с помощью цифрового процессора.

В устройствах приема и обработки сигналов предусмотрены три режима работы в соответствии с видом модуляции излучаемых сигналов. Возможно использование импульсной модуляции с коэффициентом заполнения 0,02 и J14M внутри импульсов с девиацией 4,6 МГц или 100 МГц. В режиме настройки системы излучаются сигналы несущей частоты.

Применение внутриимпульсной ЛЧМ позволяет получить при обработке сигналов фильтром сжатия короткие импульсы, обеспечивающие высокую точность и разрешающую способность при измерении дальности. Поиск, обнаружение, идентификация, ввод в режим сопровождения и точное сопровождение осуществляются по программам управляющего процессора. Программой задается уровень порогов обнаружения, режимы точного измерения дальности и угловых координат. При автоматическом сопровождении системой слежения осуществляется калмановская фильтрация.

Эффективное функционирование такой сложной многорежимной PJIC обеспечивается тщательной начальной настройкой всех узлов аппаратуры и непрерывной диагностикой в процессе эксплуатации.

Для периодического тестирования и настройки PJIC предусмотрена специальная приемопередающая и измерительная аппаратура, размещенная на башне высотой 150 м, расположенной на расстоянии 3 км от РЛС. Тестирование позволяет выявлять и оперативно заменять неисправные модули, подстраивать параметры исправных модулей для получения требуемых характеристик для эффективной работы PJIC. Надо заметить, что вся радиочастотная часть PJ1C размещается под радиопрозрачным куполом, внутри которого поддерживается температура, давление и влажность, благоприятные для надежной работы аппаратуры. Высокая точность и разрешающая способность при измерении угловых координат достижимы в миллиметровом диапазоне при относительно небольших размерах апертуры ФАР.

Однако в ряде случаев необходима угловая разрешающая способность, которую невозможно обеспечить при приемлемых размерах реальной апертуры, особенно когда условия работы PJIC не позволяют использовать миллиметровые волны.

8.5. Радиолокационные системы с синтезированием апертуры

Обеспечение высокой разрешающей способности особенно актуально для PJIC обзора подстилающей поверхности с летательных или космических аппаратов, поскольку четкость получаемых радиолокационных изображений этой поверхности непосредственно связана с разрешающей способностью PJIC по дальности и угловым координатам. Высокое разрешение по дальности достигается расширением спектра излучаемых сигналов. Так, при полосе обзора подстилающей поверхности с высотой орбит, равной нескольким сотням километров.

Таким образом, повышение четкости радиолокационных изображений возможно лишь при радикальном увеличении относительного раскрыва антенных систем. Физические размеры антенн самолетных PJ1C ограничены длиной фюзеляжа и размахом крыльев самолета. Наиболее эффективным оказалось применение вдольфюзеляжных антенн, оси излучения которых направлены наклонно вниз и перпендикулярно оси самолета. При этом осуществляется так называемый боковой обзор (рис. 8.18), при котором по обе стороны линии пути последовательно облучаются две полосы с шириной, определяемой шириной ДНА в вертикальной

РЛС. Формирование поправок существенно усложняется при отклонении траектории самолета от прямолинейной и флуктуациях его скорости. Согласованный фильтр для сигнала точечной цели при известной дальности и скорости РЛС относительно цели соответствует схеме когерентного фильтра для пачки импульсов, при  синтезирование раскрыва на основе современной элементной базы она успешно осуществляется. Однако в тех случаях, когда не требуется получать четкое радиолокационное изображение в реальном масштабе времени, целесообразно использовать оптические корреляторы для обработки информации при синтезирование апертуры. Оптические устройства давно и успешно применяются при радиолокационном картографировании с помощью РЛС бокового обзора, размещаемых на самолетах или ИСЗ. При этом в процессе полета сигналы РЛС фиксируются на фотопленке, которая после проявления непосредственно используется в оптическом устройстве обработки на Земле при возможности ее доставки на пункт  обработки (случай самолетной РЛС). В случае ИСЗ записанные сигналы передаются на пункт обработки по каналу связи.

Устройство записи на первичную пленку представлено упрощенной схемой на рис. 8.21. На управляющий электрод ЭЛТ подаются сигналы с выхода ФД приемника РЛС, которые модулируют электронный луч трубки по интенсивности. При этом яркость каждой точки линии развертки на экране трубки несет информацию о сигнале, отраженном от соответствующего элемента разрешения облучаемой поверхности. На протяжении линии развертки воспроизводятся сигналы в пределах ширины облучаемой дорожки при перемещении РЛС бокового обзора.

Фотопленка протягивается перед объективом оптического устройства. При этом изображение линии развертки последовательно проецируется на пленку. Скорость протяжки пленки пропорциональна скорости самолета v_c, поэтому координата Y вдоль пленки связана со скоростью v_c и временной задержкой Т_а (азимутальное «медленное» время) в отличие от координаты X вдоль линии развертки, определяемой временем задержки сигнала по дальности т_д («быстрое» время) и скоростью развертки v_p. При протяжке пленки линии развертки последовательно фиксируются на пленке через временные интервалы, равные периоду повторения излучаемых импульсов Т_п. Число линий развертки  использованных при последующем синтезирование РЛ изображения (на языке телевидения — число строк в кадре), ограничено шириной ДНА

Проявленная фотопленка несет информацию об амплитуде и фазе сигналов, отраженных каждым элементом разрешения облучаемой полосы в течение сеанса картографирования, и используется в оптическом устройстве обработки для синтезирование PJI изображения высокой четкости.

Преимущество оптического устройства определятся способностью двояковыпуклой линзы осуществлять двухмерное преобразование Фурье светового потока, в то время как при цифровой обработке такое преобразование осуществляется последовательно по дальности и азимуту.

Принцип действия оптического коррелятора для обработки сигналов РЛС бокового обзора поясняет упрощенная схема оптического коррелятора, представленная на рис. 8.22.

Плоская волна света после коллиматорного устройства падает на первичную фотопленку, на которой записаны сигналы в процессе сеанса съемки. Пленка располагается в левой фокальной плоскости выпуклой линзы Л1 и протягивается со скоростью, пропорциональной скорости носителя РЛС. В правой фокальной плоскости Л1 образуется световой поток, соответствующий пространственному (двухмерному) преобразованию Фурье функции распределения яркости точек изображения на первичной пленке. Преобразованный сигнал (его спектр) воспроизводится на прозрачном экране, что эквивалентно прямому двухмерному преобразованию Фурье. Обратное преобразование Фурье производится линзой Л2. В результате на прозрачном экране в правой полуплоскости Л2 проецируется преобразованное изображение, записанное на первичной пленке.

На полупрозрачный экран заранее нанесена опорная пространственная функция (транспарант), соответствующая временной функции выходного сигнала точечной цели при боковом обзоре. Справа от транспаранта образуется пространственное распределение светового потока, пропорциональное произведению сигнальной функции на опорную. Комбинация из цилиндрической линзы ЛЗ и выпуклой линзы Л4 позволяет осуществить раздельную обработку сигналов для каждой дальности. При этом на выходной пленке, перемещаемой синхронно с входной, воспроизводится четкое изображение, соответствующее размеру синтезированной апертуры.

В первых когерентных РЛС бокового обзора, применявшихся для картографирования поверхности Земли, использовалась именно оптическая обработка сигналов, так как цифровая техника в то время еще не позволяла справиться с обработкой огромного объема информации. С развитием цифровой элементной базы цифровая обработка занимает доминирующее положение, в частности в РЛС космического базирования. В связи с этим нельзя не упомянуть, что впервые картографирование поверхности планеты Венера, скрытой атмосферой, непроницаемой для волн оптического диапазона, было произведено РЛС бокового обзора с советских космических аппаратов «Венера 15» и «Венера 16». Эти

При этом воспроизводилась дорожка шириной 130 км и длиной за сеанс 8 • 10³ км. Конечно полученное изображение обладало невысокой четкостью, определяемой размером элемента разрешения (1,4 х 1,4) км². Однако в сочетании с достаточно точным измерением высоты космических аппаратов относительно поверхности Венеры было получено первое представление о рельефе ее поверхности.

Применение с середины 1980-х гг. широкополосных сигналов и цифровой обработки с автофокусировкой позволило довести разрешающую способность РЛС бокового обзора космического базирования до единиц метров, а в телескопическом режиме даже долей метра. Это потребовало разработки специальных алгоритмов автофокусировки, учитывающих различные дестабилизирующие факторы, расширения спектра излучаемых сигналов до 430 МГц и увеличения времени интегрирования до Т_н = 4 с (что соответствует размеру синтезированной апертуры

Идея автофокусировки заключается во введении текущих поправок на изменение фазы отраженных сигналов, вызванных не- стабильностями движения носителя РЛС.

Используют два основных варианта автофокусировки. В первом производится подстройка фаз отраженных сигналов по фазе сигнала, приходящего от центра отражения, имеющего максимальную интенсивность и наиболее устойчивую фазу. Однако выделить такой устойчивый сигнал далеко не всегда возможно. Другой вариант автофокусировки основан на разбиении синтезируемой апертуры на несколько субапертур, позволяющих получить ряд последовательных РЛ изображений с меньшим разрешением, но содержащих информацию о расфокусировки из-за траекторных не- стабильностей. Это позволяет своевременно обнаруживать их и вводить необходимые поправки при обработке последующих серий сигналов. Конечно, это увеличивает сложность и время обработки, но позволяет существенно повысить разрешающую способность РЛС.

В современных РЛС предусматривается изменение угла наклона ДНА в вертикальной плоскости от 30 до 60°, что позволяет изменять ширину дорожки, производить смену режимов излучения и обработки для получения различного разрешения. Появилась возможность детального наблюдения небольших участков поверхности в телескопическим режиме. В некоторых PJIC бокового обзора вводится также режим СДЦ, позволяющий выделять объекты, движущиеся на фоне облучаемой поверхности.

Остановимся на построении цифровых устройств обработки сигналов при синтезирование апертуры более подробно.

На вход устройства цифровой обработки (рис. 8.23) поступают импульсные сигналы с выхода сумматора двух квадратурных каналов / и Q, формируемых на выходе приемника РЛС для уменьшения влияния неизвестной начальной фазы отраженных сигналов.

С помощью АЦП эти сигналы преобразуются в цифровую форму, и после устройства памяти, запоминающего выборки отраженных сигналов, поступающих при излучении каждого зондирующего импульса (строка за строкой), производится их обработка в фильтре сжатия по дальности. В этом фильтре ЛЧМ импульсы азимуту, действующим на основе прямого и обратного преобразований Фурье, но в другом (азимутальном) временном масштабе.

Сжатые по дальности и азимуту сигналы поступают на процессор, обеспечивающий воспроизведение на экране дисплея радиолокационного изображения высокой четкости.

Описанный процесс обработки сигналов последовательно в двух фильтрах сжатия иллюстрирует рис. 8.24, на котором представлено сжатие изображений двух смещенных по дальности целей Ц1 и Ц2.

На рис. 8.24, а показана протяженность целей по дальности и азимуту, соответствующая длительности излучаемого импульса т_и и ширине ДНА .

Ha рис. 8.24, б представлена картина после фильтра сжатия по дальности ЛЧМ импульса и на рис. 8.24, в изображены отметки двух целей после фильтра сжатия по азимуту. Сбоку условно показаны соответствующие опорные функции коррелятора, позволяющие уменьшить размеры элемента разрешения в п раз по дальности и в N раз по азимуту. Коэффициент сжатия по дальности определяется девиацией частоты ЛЧМ импульса, а коэффициент сжатия по азимуту — размером синтезированной апертуры (временем интегрирования сигналов по азимуту).

Надо заметить, что устройство первичной построчной записи сигналов на фотопленку (см. рис. 8.21) показано для простоты пояснения происходящих процессов. В настоящее время разработаны электронные устройства, позволяющие выполнять те же функции, но без существенной задержки и неудобств, связанных с обработкой фотопленки. Структурная схема современной когерентной РЛС со сжатием ЛЧМ импульсов и синтезированием апертуры представлена на рис. 8.25 в упрощенном виде. Однако схема позволяет пояснить функциональное назначение и взаимодействие блоков РЛС.

Задающий генератор формирует колебания несущей частоты которые в передающем тракте РЛС преобразуются в мощные ЛЧМ импульсы, поступающие через антенный переключатель на излучатель антенны. Частота повторения импульсов F_п задается синхронизатором, а их длительность и девиация частоты определяется частотным и импульсным модуляторами.

Прием отраженных сигналов производится той же антенной. Антенный переключатель блокирует вход приемника на время излучения импульсов, после окончания которых сигналы, принятые антенной, поступают на вход приемника, преобразующего их и усиливающего на промежуточной частотедо необходимого уровня.

После квадратурного смесителя АЦП преобразует сигналы I и Q в цифровую форму и они записываются в устройство памяти матричного типа. Затем в цифровом процессоре осуществляется сжатие сигналов по дальности и азимуту. При обработке в процессор вводятся фазовые поправки и весовые коэффициенты от компьютера, вырабатывающего их с учетом эволюций перемещающейся антенны. Цифровые сигналы с выхода процессора поступают на дисплей, на экране которого и воспроизводится четкое радиолокационное изображение обозреваемого участка поверхности. С выхода приемника сигналы могут быть записаны в устройство памяти для передачи по каналу связи на пункт сбора информации для последующей обработки.

Рассмотренный вариант не является единственным. Другой разновидностью РЛС с синтезированием апертуры является РЛС, узкая ДНА которой облучает в течение времени интегрирования Г_и площадь (пятно), ограниченную шириной ДНА (рис. 8.26). Такие РЛС в США носят название Spotlight SAR. За время T_и антенна РЛС перемещается на расстояние v_cT_и, при этом ось ДНА, сохраняя направление на выбранное пятно, повернется относительно пятна на угол . При большой дальности D угол обычно мал и перемещение антенны РЛС за время T_и можно принять равным D.

Представляет большой интерес также РЛС с синтезированием апертуры инверсного типа (Inverse SAR). Инверсия заключается в том, что в этом варианте синтезирование апертуры цель перемещается относительно неподвижной РЛС. Конечно, при этом также можно синтезировать апертуру желаемых размеров путем накопления и когерентной обработки накапливаемых сигналов за определенное время интегрирования T_и .

Заслуживают внимания и интерферометрические РЛС, позволяющие использовать фазовый сдвиг сигнала, отраженного каждым

элементом разрешения облучаемой поверхности при боковом обзоре, для селекции целей, медленно движущихся по этой поверхности. Антенная система такой РЛС состоит из двух или трех антенн, смещенных вдоль оси самолета и осуществляющих боковой обзор. Благодаря смещению антенн сигналы, отраженные элементами разрешения на облучаемой поверхности, приходят к антеннам с фазовым сдвигом, зависящим от взаимного положения антенн, рассматриваемого элемента поверхности, скоростей самолета и движущейся цели при ее наличии в данном элементе разрешения. Третья антенна позволяет создать провал в результирующей ДНА в направлении источника мешающих сигналов (в том числе и мешающих отражателей) для их подавления. Этот принцип использован в американской РЛС Joint STARS (Joint Surveillance Target Attack Radar System), предназначенной для обнаружения и атаки целей на поле боя. РЛС имеет три смещенных вдоль оси самолета щелевых антенны с апертурой . Три антенны позволяют не только обнаруживать танки, бронетранспортеры и другие цели и определять их координаты с точностью до 1 м, но и подавлять мешающие сигналы, приходящие с направлений, отличающихся от направления на выбранную цель всего на ±0,1°. Это существенно улучшает условия точного сопровождения целей, а также возможность селекции целей, движущихся с небольшой скоростью.

 Следует отметить, что когерентные РЛС находят все более широкое применение для решения различных задач. РЛС с синтезированием апертуры являются одним из наглядных примеров такого применения. В частности, в последнее время разработаны ин- терферометрические РЛС с синтезированием апертуры, позволяющие осуществлять трехмерное картографирование, т.е. получать информацию о рельефе подстилающей поверхности.

8.6. Особенности СДЦ и синтезирование апертуры при размещении РЛС на надводных и наземных носителях

При рассмотрении РЛС с СДЦ и синтезирование апертуры, размещаемых на самолетах и ИСЗ, уже обсуждалось влияние отклонения их движения от равномерного и прямолинейного, что обычно предполагается при рассмотрении принципа действия РЛС бокового обзора с синтезированием апертуры. Проблемы учета и компенсации таких отклонений в процессе синтезирование апертуры еще острее при размещении РЛС на надводных и наземных носителях, изменение параметров движения которых быстротечно и часто непредсказуемо, что, естественно, затрудняет их измерение и компенсацию. Поэтому системы обработки сигналов в таких случаях должны быть адаптивными в частотно-временной и пространственной областях, что возможно при использовании в РЛС многоэлементных ФАР с электронным управлением и адаптивных допплеровских фильтров.

Чтобы понять существо задачи, рассмотрим последовательно влияние движения носителя и сканирования ДНА на эффективность СДЦ и синтезирование раскрыва. Предположим, что РЛС располагается на носителе, движущемся по водной поверхности или поверхности Земли со скоростью v_c, а мешающие отражатели находятся также в горизонтальной плоскости на направлении, составляющем угол  с вектором v_c. Если длина волны излучаемых

-щью датчиков инерциальной системы, выделяющей отклонения движения носителя от прямолинейного и равномерного в процессе синтезирование раскрыва. По существу при этом реализуется алгоритм пространственно-временной адаптации, для которого в литературе используется аббревиатура STAP (Space Time Adaptive Processing). Суть этого метода была пояснена в гл. 6 с помощью упрощенной структурной схемы процессора (см. рис. 6.14) обработки сигналов jV-элементной линейной ФАР. Каждый из N элементов решетки соединен с входом линии задержки с отводами через интервалы, равные периоду повторения Т_п импульсов PЛC. Напомним, что когерентно обрабатывается последовательность из К импульсов, образующих так называемый интервал когерентности. Для каждого элемента разрешения по дальности и частоте имеется N x К выходов, которые обеспечивают максимальное отношение сигнала к шуму за счет выбора весовых коэффициентов a_nk. Эти коэффициенты адаптивно подстраиваются при приеме каждого сигнала U_nk путем его сравнения с сигналом  на выходе сумматора. В результате такой обработки вырабатываются цифровые сигналы, управляющие элементами ФАР и характеристикой допплеровского фильтра. При таком управлении ФАР может быть осуществлено смещение фазового центра антенны (алгоритм смещения DPCA описан в гл. 6) с целью компенсации влияния изменений параметров движения носителя РЛС.

Кроме того, STAP позволяет адаптивно смещать «нули» ДНА и фильтров подавления пассивных помех. Это уменьшает нагрузку на допплеровский процессор, что особенно важно, когда мешающие отражатели не неподвижны (морские волны, дождь, растительность при ветре) и отраженные от них сигналы имеют допплеровское смещение частоты.

Следует подчеркнуть, что функциональные возможности адаптивной системы расширяются с увеличением числа элементов ФАР и числа обрабатываемых импульсов. Поскольку реализация описанных процессов адаптации производится с помощью специализированных цифровых процессоров, то повышение эффективности адаптивных алгоритмов связано со значительным увеличением вычислительного ресурса процессоров, а значит и серьезным ростом их стоимости. Тем не менее, достижения в создании многоэлементных ФАР, разработка новых эффективных алгоритмов управления формируемой ими ДН, так же как цифровых фильтров с адаптивными характеристиками, позволяют непрерывно улучшать ТТХ РЛС. В частности, стало возможным получение радиолокационных изображений высокой четкости с надежным выделением движущихся объектов даже при небольших скоростях их движения, что обычно имеет место при радиолокационном наблюдении надводных и наземных целей. Во многих случаях радиолокационной практики эти качества PЛC имеют первостепенное значение.

Контрольные вопросы

1.Что такое чувствительность пеленгования?

2.В чем заключаются преимущества суммарно-разностного метода пеленгования?

3.Какие параметры РЛС определяют потенциальные значения точности и разрешающей способности при измерении угловых координат?

4.Каково предельное разрешаемое расстояние РЛС бокового обзора при когерентной обработке?

5.В чем отличие фокусированной и нефокусированной обработки при синтезирование раскрыва в РЛС бокового обзора?

6.В чем заключаются достоинства и недостатки СИН с коническим сканированием?

7.Почему в моноимпульсных СИН чаще других используется суммарно-разностный метод пеленгования?

8.Каково разрешаемое расстояние в азимутальном направлении РЛС бокового обзора на дальности  и раскрыве антенны  следующих случаях: а) использование реальной антенны; б) синтезирование раскрыва без фокусировки; в) фокусированный синтезированный раскрыв?

9.Какой должна быть ширина спектра излучаемого сигнала для получения одинаковых разрешаемых расстояний по дальности и азимуту для РЛС бокового обзора трехсантиметрового диапазона с шириной ДНА  и фокусированной обработке?

10.Почему точность автоматического сопровождения цели уменьшается на малых углах места цели?

11.При каких условиях необходимо применять обобщенную пространственно-временную теорию приема и обработки сигналов?

Каковы преимущества применения ФАР в РЛС с автоматическим сопровождением целей?

12.Каким требованиям должны удовлетворять параметры АРУ в приемнике СИН с коническим сканированием и моноимпульсном СИН с суммарно-разностным методом пеленгования?

13.Какие меры можно использовать для снижения влияния углового шума на точность СИН?

14.Какова зависимость погрешности СИН с коническим сканированием и моноимпульсного от дальности цели?

15.В чем заключаются особенности РЛС сопровождения целей при сохранении обзора?

16.Каковы преимущества и недостатки применения волн миллиметрового диапазона в РЛС обнаружения и сопровождения воздушных и космических объектов?

17.Каким образом можно осуществить одновременно автоматическое сопровождение нескольких целей?

18.При каких условиях для получения радиолокационного изображен ния при боковом обзоре можно применить оптический метод обработки информации?

19.Каковы достоинства цифровой обработки информации в РЛС бокового обзора?

20.Какие параметры определяют требования к устройству цифровой обработки информации PJ1C бокового обзора?

21.Какие разновидности РЛС с синтезированием апертуры нашли практическое применение?

ГЛАВА 9

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ И РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИЯ

9.1. Физические основы оптической локации

Оптической локационной системой (OЛC) называется совокупность технических средств, позволяющих обнаруживать объекты, оценивать их координаты и формировать в ряде случаев их изображение. Эти задачи решаются с помощью электромагнитных волн оптического диапазона  или в длинах волн от 100 до 0,001 мкм). Так как в качестве формирователей излучения в ОЛС используются, как правило, лазеры, то термины оптическая локация и лазерная локация можно рассматривать как синонимы.

Источники излучения в ОЛС. Как уже отмечалось, основным источником излучения в ОЛС являются лазеры. Среди многочисленных типов лазеров в ОЛС наибольшее распространение получили твердотельные лазеры (на кристаллах или стеклах), газовые и полупроводниковые лазеры.

Остановимся кратко на их технических характеристиках, определяющих типы ОЛС, в которых они применяются.

Твердотельные лазеры. Наиболее часто в твердотельных лазерах в качестве активной среды используются рубин  стекло с примесью неодима  и алюмоитгриевый фанат, активированный неодимом  В скобках указаны длины волн, на которых происходит излучение.

Для рубиновых лазеров можно получить импульсы длительностью порядка 10...30 не с мощностью 10⁶... 10⁸ Вт в зависимости от размеров используемых активных элементов. Верхние пределы соответствуют максимальным размерам активного элемента (стержень с диаметром 10... 15 мм и длиной 250...300 мм), реализуемым на практике. Основной режим работы — импульсный с частотой повторений до 10 Гц.

Наиболее востребованными из твердотельных лазеров являются лазеры, в которых активным веществом является алюмоиттриевый гранат, сокращенно называемый YAG, в котором часть ионов иттрия замещена ионами неодима. В литературе такие лазеры часто обозначают как Nd:YAG. Они могут работать в непрерывном и импульсном режимах. В непрерывном режиме выходная мощность может достигать 200 Вт при мощности накачки, создаваемой криптоновой лампой, 11 кВт. В импульсном режиме благодаря хорошей теплопроводности Nd:YAGлазер может работать с частотой повторения импульсов до 50 Гц, обеспечивая при этом среднюю выходную мощность порядка 500 Вт. Максимальная мощность в импульсе может доходить до 50 МВт. Применение для накачки вместо газоразрядных ламп лазерных диодных решеток на арсениде галлия позволяет повысить КПД твердотельных лазеров до 10%, сделать их компактными устройствами с большим сроком службы.

Лазеры, в которых активным веществом является стекло с неодимом, используются, как правило, для получения мощных импульсов с низкой частотой повторения. В таких устройствах они применяются в качестве выходных усилителей. В экспериментальной установке, построенной на таком лазере, получены импульсы с пиковой мощностью 10⁹ Вт и полной энергией примерно 100 кДж.

Газовые лазеры. Важным свойством газовых лазеров является возможность работы в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетовых до инфракрасных как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Это дает возможность проектировать ОЛС, у которых параметры излучаемых сигналов согласованы со свойствами среды распространения (работа в окнах прозрачности атмосферы, наличие дыма и тумана).

В ОЛС наиболее широко из газовых лазеров применяются гелий-неоновые (Не —Ne) и С0₂-лазеры (лазеры на углекислом газе). Для газовых лазеров характерна отработанность конструкции и большой срок службы.

Гелий-неоновый лазер имеет наибольшее значение среди лазеров на инертных газах. Основная линия генерации соответствует . Возможна также генерация и в инфракрасном диапазоне с . Излучение Не —Ne-лазера обладает высокой монохроматичностью. Минимальное отношение ширины линии к частоте генерации  что делает его крайне привлекательным при построении когерентных ОЛС. КПД гелий-неоновых лазеров составляет примерно 1 %, мощность излучения на уровне 10... 20 мВт.

Среди газовых лазеров выделяются С0₂-лазеры, имеющие следующие достоинства:

· высокий КПД (до 30 %);

· хорошая энергетика излучения (единицы киловатт* в непрерывном режиме, килоджоули в импульсном);

· высокая когерентность излучения;

· возможность перестройки в диапазоне длин волн 9... 11 мкм.

Наряду с Не —Ne-лазером С0₂-лазер обладает одной из самых высоких среди лазеров когерентностью излучения. Относительная частотная стабильность составляет приблизительно 10~¹⁰ за 0,1 с.

Самый высокий КПД среди газовых лазеров (50...60%) имеет лазер на оксиде углерода

(СО-лазер). Однако по мощности излучения в непрерывном режиме он существенно уступает С0₂-лазеру. Генерирование происходит в диапазоне длин волн от 5,0869 до 6,6632 мкм.

Полупроводниковые лазеры. По типу накачки полупроводниковые лазеры (ППЛ) подразделяются на инжекционные, с электронной и оптической накачками.

В ОЛС используются инжекционные полупроводниковые лазеры. Благодаря высокому коэффициенту усиления активной среды лазерный эффект достигается в активных элементах очень малых размеров (доли миллиметра) и ППЛ, как правило, имеют размеры излучающей площадки порядка 0,1... 1,5 мм при толщине активной области р — «-перехода 1 ...2 мкм.

Импульсная мощность ППЛ не превышает 100 Вт. Для увеличения мощности ППЛ собирают в наборные панели, увеличивая импульсную мощность до 1 кВт. Расходимость излучений ППЛ весьма велика (4...6° в плоскости р — «-перехода и 10...20° в перпендикулярной плоскости). Инжекционные ППЛ в зависимости от вида активного материала могут работать в широком диапазоне длин волн 0,85 мкм (арсенид галлия), 8,5 мкм (селенид свинца). Ввиду малой генерируемой мощности и сильной расходимости луча ППЛ редко используются как основной источник излучения. В ОЛС ППЛ часто применяют для накачки NdiYAG-лазеров.

Особенности использования оптического диапазона длин волн. Точностные характеристики ОЛС во многом зависят от флуктуаций параметров лазерного излучения (интенсивности, частоты и фазы).

Как видно из приведенного краткого обзора свойств источников лазерного излучения, по сравнению с другими источниками света лазеры имеют то преимущество, что излучаемое ими электромагнитное поле обладает высокой пространственно-временной когерентностью, что дает возможность формировать узкие диаграммы направленности. Для твердотельных лазеров угловая расходимость составляет единицы миллирадиан, а для газовых — десятые доли миллирадиана. Следствием этого является более высокая, чем у РЛС СВЧ диапазона, угловая разрешающая способность и точность измерения угловых координат. Малое поле зрения (узкая ДН) приемных оптических антенн позволяет эффективно селектировать отражения от Земли и местных предметов при работе с объектами, имеющими малый угол места, повышает помехоустойчивость ОЛС по отношению к преднамеренным помехам.

Переход в оптический диапазон дает также возможность повысить точность измерения дальности до цели и ее радиальной скорости. При импульсном методе измерения это связано с возможностью излучения импульсов наносекундной длительности с пиковой мощностью в сотни и тысячи мегаватт. При фазовом методе измерение ведется на поднесущих, имеющих частоты вплоть до СВЧ диапазона.

Допплеровские методы измерения радиальной скорости в оптическом диапазоне характеризуются высокой чувствительностью. Так, при длине волны  соответствует допплеровское смещение частоты

. Для реализации допплеровских методов требуется высокая стабильность излучения, которая может'быть достигнута с помощью газовых лазеров.

Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическим сигналам, позволяет успешнее, чем в радиодиапазоне, распознавать наблюдаемые объекты и формировать изображение ло- цируемого объекта. ОЛС присущи следующие особенности, которые нужно учитывать при выборе частотного диапазона проектируемой локационной системы.

1.Характеристики ОЛС сильно зависят от свойств среды, в которой происходит распространение лазерного излучения. Например, при работе в приземном слое атмосферы (тропосфере) дальность действия и точность измерения координат определяются в основном метеоусловиями.

2.Вследствие узости ДН требуется большое время для поиска цели по угловым координатам.

3.Существующие ограничения по частоте повторения импульсов, вызванные теплофизическими особенностями работы лазера, снижают темп обновления информации, получаемой от лоцируемого объекта.

4.Квантовый характер электромагнитного излучения уменьшает эффективность обнаружения сигнала и измерения его параметров не только вследствие внутренних и внешних шумов, но и вероятностного характера регистрации оптического излучения.

Основными областями применения ОЛС являются:

· геодезия, картография, строительное и горное дело;

· траекторные измерения космических объектов в системах земля— космос и космических комплексах (сближение, стыковка);

· калибровка радиолокационных измерителей;

· получение метеоинформации;

· управление оружием.

Часто ОЛС работают в комплексе с другими системами, что позволяет преодолеть ряд присущих им недостатков. Например, для наведения луча ОЛС на цель применяют оптические или телевизионные визиры, используют данные, полученные от РЛС и тепловых локаторов.

Из рассмотренных в гл. 1 режимов работы локационных систем для ОЛС наиболее характерным является активный режим, при котором источник зондирующего сигнала и приемник отраженного излучения пространственно совмещены.

Структурные схемы ОЛС. Структурная схема ОЛС в общем виде представлена на рис. 9.1. В ее состав входят источник и приемник излучения, оптическая система, формирующая излучаемый в направлении цели световой пучок и собирающая отраженное объектом излучение, система обработки и наведения, осуществляющая оценивание координат цели и ее автоматическое сопровождение.

Характеристики ОЛС во многом зависят от свойств среды, в которой происходит распространение излучения, отражающей способности объекта и уровня помех, которые, как и в радиодиапазоне, можно разделить на внешние и внутренние. На рис. 9.1 для обозначения оптических, электрических и механических связей использованы соответственно двойные, одинарные и пунктирные линии.

Рассмотрим подробнее элементы структурной схемы ОЛС.

Источник излучения — лазерный передатчик — служит для создания зондирующего сигнала с требуемыми характеристиками, он работает в импульсном или непрерывном режимах.

Остановимся на процессе формирования лазерного сигнала с требуемыми параметрами. Известно, что возможности локационной системы во многом определяются выбором закона модуляции излучаемого сигнала. Для лазерного излучения могут быть использованы два вида модуляции: внешняя и внутренняя. Наибольшее распространение получила внешняя модуляция, обладающая по сравнению с внутренней значительно большими возможностями. Суть ее состоит в том, что при прохождении линейно

поляризованного света через некоторые кристаллы под действием приложенного к ним напряжения изменяется направление вектора поляризации проходящего света. Если приложенное напряжение равно так называемому полуволновому, то поляризация на выходе кристалла окажется ортогональной входной, и если на выходе такого кристалла будет установлен поляризатор, согласованный с вектором поляризации исходной волны, то интенсивность излучения на выходе поляризатора будет равна нулю (свет не пройдет), а в случае снятия приложенного напряжения

— первоначальной.

Величина полуволнового напряжения зависит от типа кристалла и может изменяться от сотен вольт до десятков киловольт. Быстродействие модулятора определяется электрическими параметрами цепей, формирующих управляющее напряжение.

Для реализации ЧМ более удобными оказываются акустооптические модуляторы, использующие эффект дифракции света на неоднородностях коэффициента преломления, формируемых за счет изменения давления в кристалле, создаваемого с помощью модулирующего напряжения, преобразуемого в звуковую волну с помощью пьезовозбудителей. Пьезовозбудители из ниобата лития способны работать на частотах в сотни мегагерц.

Для формирования ДНА, обеспечивающей концентрацию излучаемой энергии в узком пучке, применяется оптическая система (рис. 9.2), состоящая из двух линз: окуляра 1 и объектива 2, фокальные плоскости которых совмещены. Такая система, называемая коллимирующей, позволяет уменьшить расходимость исходного пучка в

— фокусные расстояния окуляра и объектива соответственно. Величина К называется коэффициентом усиления оптической антенны.

Для наведения лазерного луча на цель и сканирования используют систему поворотных зеркал и призм или устройства, основанные на эффекте преломления луча в оптически неоднородной среде, в которой изменение показателя преломления создается управляющим напряжением.

Часть отраженного от цели излучения вместе с внешними помехами попадает на входную апертуру оптического приемного устройства (ОПУ), состоящего из оптической приемной антенны,

светофильтра и фотоприемника. В ОПУ применяют линзовые, отражательные и смешанные антенные устройства.

Среди линзовых антенн наиболее распространенной является телескопическая система, изображенная на рис. 9.3.

Принимаемый световой пучок поступает на объектив 1, в фокусе которого располагается диафрагма 2, вместе с объективом определяющая угол поля зрения приемника:

где d_np — диаметр диафрагмы;f₁ — фокусное расстояние объектива.

С помощью окуляра 3 формируется параллельный пучок, который пропускается через оптический фильтр 4. Линза 5 фокусирует отфильтрованный сигнал на светочувствительной поверхности фотоприемника 6.

Антенное устройство смешанного типа представлено на рис. 9.4. Приходящее излучение попадает на зеркало 2, переотражается на зеркало / и после прохождения диафрагмы 3 преобразуется с помощью окуляра 4, оптического фильтра 5, фокусирующей линзы 6 и поступает на фотоприемник 7. Смешанная система позволяет получить компактную и дешевую конструкцию с малым коэффициентом оптических потерь.

Фотоприемник, преобразующий оптический сигнал в электрический, может быть выполнен на основе прямого фотодетектирования (энергетический прием) или с помощью оптического гетеродинирования. Приемники с прямым фотодетектированием получили широкое распространение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В таких приемниках излучение с выхода оптического фильтра поступает на светочувствительный элемент, преобразующий световой поток в электрический сигнал, представляющий собой сумму одноэлектронных импульсов, появляющихся в результате преобразования фотон —электрон.

При гетеродинном приеме (рис. 9.5) на светочувствительный элемент 4 подается аддитивная смесь принятого светового потока / и излучения от оптического гетеродина 3, формируемая с помощью полупрозрачного зеркала 2. На выходе светочувствительного элемента с помощью фильтра 5 выделяется сигнал промежуточной частоты.

Дальнейшая обработка ведется уже в радиодиапазоне. Фотогетеродинный метод позволяет получить высокую чувствительность, обеспечивает эффективную частотную и пространственную селекции сигнала за счет использования узкополосных фильтров радиодиапазона и учета зависимости уровня сигнала на промежуточной частоте от взаимного положения волновых фронтов приходящего и опорного излучений. Таким образом, если лазерный гетеродин пространственно сфазирован относительно полезного сигнала, то мешающее излучение, приходящее с другого направления, будет ослаблено. Для реализации гетеродинного метода необходимы лазерный источник и гетеродин, работающие в одночастотном режиме с сохранением пространственной и временной когерентности излучения на время распространения оптического сигнала до цели и обратно. Подобным условиям удовлетворяют газовые лазеры.

Элементом ОПУ, во многом определяющим его качественные показатели, является светочувствительный элемент — фотодетектор (ФОД). В ФОД используется внешний или внутренний фотоэффект. Из приборов с внешним фотоэффектом в видимом и ультрафиолетовом диапазонах наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Не останавливаясь на принципах работы ФЭУ, отметим, что они могут обеспечить усиление порядка 10⁶... 10⁷, время нарастания импульса для современных ФЭУ составляет единицы наносекунд. Важнейшей характеристикой фотоприемника является значение минимальной мощности принимаемого излучения, при которой на выходе достигается требуемое отношение сигнал/шум.

Среди приемников на основе внутреннего фотоэффекта наибольший интерес представляют лавинные фотодиоды (ЛФД), являющиеся в известном смысле твердотельным аналогом ФЭУ. Их использование целесообразно при приеме слабых световых сигналов.

Недостатками ЛФД являются малая площадь чувствительной площадки, сравнительно большое время нарастания фототока, а также необходимость очень точной стабилизации питающего напряжения и температуры ЛФД.

Остальные узлы ОЛС, обеспечивающие обработку электрического сигнала с выхода ФОД, наведение луча на цель и ее сопровождение по дальности и угловым координатам, принципиально не отличаются от соответствующих устройств РЛС.

9.2. Рассеивающие свойства объектов и характеристики отраженных сигналов в оптическом диапазоне

Излучаемые оптические сигналы, распространяясь в атмосфере или любой другой среде, претерпевают изменения, которые обусловлены следующими явлениями: поглощение, рассеяние, рефракция и турбулентность. Поглощение и рассеяние определяют среднее затухание сигнала и относительно медленные флуктуации, вызванные изменениями метеорологических условий.

Падение интенсивности лазерного излучения при распространении в атмосфере описывается законом Бугера, в соответствии с которым интенсивность излучения I на расстоянии D от источника излучения с интенсивностью I₀ определяется как

где  — показатели ослабления за счет рассеивания и поглощения соответственно. При расчете дальности действия ОЛС используется коэффициент пропускания  В соответствии с законом Бугера он равен произведению коэффициентов рассеивания  и поглощения

Поглощение существенно зависит от длины волны излучения. Это необходимо учитывать при выборе типа лазера.

Рассеяние и поглощение лазерного излучения происходит как на молекулах газов, входящих в состав атмосферы, так и на аэрозолях. К аэрозолям относятся дымки, облака, осадки, пыль, дым. Для противодействия ОЛС используются боевые аэрозоли (пылеобразное масло, гексахлорэтан и др.). Показатели ослабления за счет рассеяния и поглощения. целесообразно представить в виде  показатели рассеяния и поглощения на молекулах и аэрозолях соответственно.

Показатели молекулярного поглощения характеризуются наличием ярко выраженных линий поглощения, определяемых молекулами веществ, входящих в состав атмосферы. Наибольшее поглощение происходит молекулами Н₂0, затем следуют молекулы углекислого газа С0₂ и озона O₃

Для практических целей наиболее интересно затухание в атмосфере на длинах волн излучения наиболее часто используемых в ОЛС лазеров: это 0,6328 мкм (гелий-неоновый лазер), 0,6943 мкм (рубиновый лазер), 1,06 мкм (Nd: YAG-лазер), 10,6 мкм (С0₂- лазер).

Рефракция приводит к отклонениям оси лазерного луча, однако это характерно для работы на больших дальностях. Величина угловой ошибки из-за рефракции зависит от направления луча и может изменяться от нуля (зенитное направление) до нескольких угловых минут при работе вдоль поверхности Земли.

С турбулентностью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Турбулентность делает характеристики среды распространения случайными, вследствие чего происходит расширение диаметра светового пучка: его амплитуда, фаза, поляризация, угол падения флуктуируют.

При взаимодействии лазерного пучка с отражающей поверхностью цели возникает вторичное излучение, характер которого зависит от свойств зондирующего луча и особенностей цели (состояние поверхности, характер движения). В зависимости от состояния отражающей поверхности различают зеркальное и диффузное отражения. При зеркальном отражении вторичное излучение формируется по законам геометрической оптики.

Одним из наиболее часто применяемых зеркальных отражателей является, как и в радиолокации, уголковый отражатель (световозвращатель), называемый в оптике трипельпризмой. По технологическим соображениям трипель-призмы имеют небольшие размеры (радиус окружности, вписанной во входную грань, составляет 20...70 мм), поэтому для увеличения отражающей поверхности, необходимой для того чтобы перехватить большую часть излучаемой энергии, уголковые отражатели объединяют в блоки.

Основными характеристиками оптических отражателей являются:

· угловая расходимость отраженного пучка света;

· допустимый угол отклонения падающего светового потока от нормали к входной грани;

· ЭПР отражателя и ее зависимость от длины волны отражаемого потока.

Важной характеристикой является технологичность изготовления и стабильность параметров в процессе эксплуатации (особенно для космических систем).

В тех случаях, когда размеры шероховатостей поверхности больше  (не выполняется критерий гладкости), имеет место диффузное отражение, при анализе которого пользуются моделью ламбертова отражателя.

Энергетическая яркость такого отражателя не зависит от направления наблюдения. К ламбертовым поверхностям можно отнести земные ландшафты (почвы, пески, растительные образования) и некоторые наземные объекты (дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов, кровли зданий). Согласно закону Ламберта мощность излучения Р, отраженная в направлении, составляющем угол ф с нормалью к отражающей поверхности, равна , где Р₀ — мощность излучения, отраженная в направлении нормали к поверхности.

Как и в радиодиапазоне, целесообразно использовать понятие эффективной поверхности рассеяния, численно равной площади плоской поверхности, которая при изотропном (равномерном) рассеянии падающего светового потока создает на приемной апертуре ОЛС интенсивность излучения, равную фактической.

Заметим, что в приведенных выше формулах и рассуждениях под интенсивностью I понималась энергетическая освещенность или плотность потока мощности, равная отношению потока мощности падающего на участок поверхности к площади этого участка. ЭП Р дает возможность сравнивать отражательные свойства различных целей, отличающихся формой, материалом поверхности и геометрическими размерами. Можно считать, что введение ЭПР соответствует замене реальной цели источником, излучающим

Для большинства реальных целей микроструктура поверхности является случайной, поэтому рассеянное объектом излучение можно рассматривать как результирующее поле, создаваемое отражением падающего светового потока от ближайших окрестностей «блестящих» точек, случайно и независимо друг от друга расположенных на облучаемой поверхности. Следствием этого является случайный характер отраженного сигнала, характеризуемого в соответствии с центральной предельной теоремой гауссовским законом распределения мгновенных значений напряженности поля. Если учесть, что случайный характер излучение приобретает и в результате прохождения через турбулентную среду, то станет понятным, почему при математическом описании принятого оптического сигнала широко применяют модель нормального случайного поля.

Вместе с полезным сигналом на входе оптической приемной системы присутствует световой фон, создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС. Фоновая помеха представляет собой нормальное случайное поле, которое,

При работе OJIC в сильно замутненной среде (туман, вода) основным видом помехи является обратное рассеяние излучения передатчика — помеха обратного рассеяния. Характер этой помехи зависит как от оптических характеристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.

Кроме внешних помех при проектировании OJIC необходимо учитывать внутренние шумы, возникающие при преобразовании оптического сигнала в электрический. Связанный с ними ток, возникающий на выходе преобразователя при отсутствии светового сигнала на его входе, называется темновым.

9.3. Дальность действия оптических локационных систем

Дальность действия является важнейшей характеристикой и определяется как расстояние D, на котором OJIC может решать поставленные задачи с заданным качеством.

Для задач обнаружения качественными показателями являются совокупности вероятностей ложной тревоги  и пропуска сигнала цели , для измерительных задач — среднеквадратические ошибки оценивания координат, а в режиме слежения — вероятность сопровождения цели в течение заданного времени с требуемой точностью.

При фиксированных параметрах OJIC (излучаемая мощность Р, расходимость излучения передатчика , площадь приемной апертуры S, а также заданных значений ЭПР цели , коэффициента пропускания атмосферы при прохождении излучения до цели и обратно i) качественные показатели OJIC будут определяться алгоритмом обработки принимаемых сигналов и отношением принимаемой мощности полезного сигнала  к мощности приведенных к приемной апертуре шумов , как внутренних, так и внешних.

С помощью ЭПР можно определить интенсивность излучения на приемной апертуре

 Аналогичное уравнение можно записать и для случая диффузного отражения.

Дальность действия ОЛС существенно зависит от выбранного алгоритма обработки принимаемого оптического сигнала. В формуле (9.3), характеризующей потенциал ОЛС, алгоритм обработки определяет величину коэффициента в  уравнении (9.4).

Чем более совершенной будет обработка, тем меньше будет этот коэффициент и соответственно больше дальность действия ОЛС. Наилучший результат будет иметь место при оптимальной обработке.

Синтез алгоритмов оптимальной обработки оптических сигналов, как и сигналов радиодиапазона, основан на использовании статистического описания наблюдаемых полей. Как отмечалось в подразд. 9.2, моделью, отражающей реальные условия приема оптического сигнала, является нормальное случайное поле.

Полное статистическое описание нормального случайного поля x(t, r), наблюдаемого на апертуре в интервале времени [0; Т], позволяет получить функционал ПВ

который является обобщением функционала ПВ нормального случайного процесса (см. гл. 4) для случайного нормального поля.

В лазерной локации модель полностью известного сигнала нереальна, так как знание отраженного сигнала с точностью до фазы равносильно знанию расстояния до цели с микронной точностью.

Поэтому для описания оптического сигнала, имеющего максимальную степень детерминированности, используют модель поля, известного с точностью до случайной равномерно распределенной начальной фазы.

Такой модели соответствует излучение одномодового стабилизированного по амплитуде лазера на частоте f₀, отраженное от зеркальной поверхности при отсутствии возмущающего действия среды (космос, идеальные метеоусловия). В этом случае сигнал s(t, r) можно записать в виде

где  — полностью известная комплексная амплитуда поля на апертуре S_A.

Подставив выражение (9.7) в выражение (9.6) и выполнив усреднение по  получим выражение для функционала ПВ суммы монохроматического сигнала и фоновой помехи:

зультат преобразования принятого излучения y(t, r) узкополосным светофильтром, настроенным на частоту сигнала f₀.

мент времени t=T с точностью до постоянного множителя равна Z². Устройством, преобразующим интенсивность света в электрический сигнал, является ФОД 5. Выходной сигнал ФОД в момент времени t=T сравнивается с пороговым уровнем в устройстве сравнения 6 (УС), управляемом селекторным импульсом s_c.

Полученная структура устройства оптимальной обработки отражает пространственно-временной характер принимаемого сигнала. Временная (частотная) обработка реализуется с помощью узкополосного светофильтра, а пространственная — с помощью транспаранта. Если комплексная амплитуда сигнала на входной апертуре постоянна, то необходимость в транспаранте отпадает, и приходят к устройству, рассмотренному в подразд. 9.1.

Для определения качественных показателей обнаружителя (вероятности ложной тревоги  и правильного обнаружения  требуется знание законов распределения выходного сигнала ФОД при действии на входе ОЛС фоновой помехи и смеси сигнального излучения с помехой.

Как отмечалось, ФОД преобразует входной световой поток в число фотоэлектронов. Это преобразование происходит по законам теории фотоэффекта, в соответствии с которыми при постоянной энергетической освещенности П число фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом за время Т, является случайным и описывается распределением Пуассона

Вид распределения W(E)), а следовательно, и Р(п) зависят от статистики мгновенных значений энергетической освещенности, а также от соотношения между параметрами

пространственно- временной когерентности принимаемого излучения, с одной стороны, и параметрами оптического приемника и временем наблюдения — с другой. Эти соотношения определяют число независимых пространственно-временных ячеек , суммируемых при расчете по формуле (9.10). Число временных ячеек т  — ширина спектра оптического сигнала (для светового фона  — полоса пропускания оптического фильтра). Число независимых пространственных ячеек  зависит от отношения площади апертуры приемной антенны S_A к площади когерентности  излучения:

Для дельтакоррелированного фонового излучения т_г может быть вычислено как отношение телесного угла поля зрения приемника (см. рис. 9.3) к дифракционному углу

Излучение на выходе оптического фильтра в пределах одной пространственной ячейки в соответствии с принятой моделью сигнала и помехи можно рассматривать как сумму узкополосного нормального шума (фоновое излучение) и гармонического сигнала (сигнальное излучение). Огибающая Zтакого процесса подчинена обобщенному закону Рэлея, а энергетическая освещенность имеет ПВ вида

где  — средняя энергетическая освещенность, создаваемая шумом; П_с — энергетическая освещенность, формируемая когерентным сигналом.

На интервал наблюдения [0; Т] приходится , независимых отсчетов, подчиняющихся распределению (9.12). Для отыскания W(E) необходимо найти ПВ суммы т независимых случайных величин, распределенных в соответствии с формулой (9.12).

Пользуясь методом характеристических функций или m-кратной сверткой ПВ (см. формулу (9.12)), можно сначала найти W{E), а затем с помощью формулы (9.11) найти и Р(п). Полученное

 Модель принимаемого сигнала (см. формулу (9.7)) предполагала отсутствие амплитудной модуляции. В случае обработки модулированного сигнала светофильтр 2 (см. рис. 9.6) должен соответствовать закону модуляции. На практике полоса пропускания светофильтра значительно шире спектра сигнала и в структуре устройства обработки ОЛС после ФОД ставится видеофильтр, согласованный с огибающей принимаемого сигнала.

Реальная практика использования локационных станций, в том числе и оптических, предполагает синтез единого алгоритма, осуществляющего последовательное обнаружение объекта, оценку его координат и переход к сопровождению цели. Структурная схема оптимального устройства обработки, синтезированная на основе данного подхода, приведена на рис. 9.8.

Приходящий суммарный оптический сигнал, поступающий на входную апертуру l, предполагается равным

где r — радиус-вектор точки на апертуре; R — радиус-вектор объекта; S(t) — огибающая излучаемого сигнала;  — случайная амплитудно-фазовая модуляция сигнала, обусловленная неполной когерентностью лазерного сигнала, мерцанием яркости в связи с интерференцией отражений от микронеоднородностей поверхности объекта  включено также ослабление сигнала при распространении до цели и обратно, учтена ЭПР цели); п(r, t) —

пространственно-временной шум на апертуре, который можно считать белым с корреляционной функцией (9.1).

Сразу после апертуры 1 стоит фильтр оптических частот 2 с амплитудно-частотной характеристикой, определяемой спектральной плотностью мощности случайной модуляции сигнала, площадью входной апертуры, длительностью зондирующего импульса, который предполагается прямоугольным, а также спектральной плотностью мощности

пространственно-временного шума на апертуре п(r, t)

После прохождения квадратичной линзы 3, обеспечивающей квадратичный фазовый сдвиг, поле свободно распространяется, и в плоскости наблюдения, где расположены оптические детекторы 4, происходит пространственное разделение позиционируемых объектов. Далее стоит видеофильтр 5, согласованный с квадратом огибающей сигнала.

Выходные сигналы фильтров поступают на решающий блок 6, в котором фиксируются значения выходных сигналов фильтров, превысивших порог обнаружения.

Дальнейшая обработка не содержит специфики, характерной для ОЛС.

9.4. Примеры реализации ОЛС

Как уже отмечалось ранее, для ОЛС характерны два режима измерения дальности до объекта: импульсный и фазовый. Для первого режима характерно получение сверхкоротких импульсов с длительностью, составляющей доли наносекунд, и мощностями в десятки и сотни мегаватт. Частота повторения импульсов в таких дальномерах ограничена, что определяется теплофизическими особенностями процессов формирования излучаемых импульсов света.

Характерным примером такой ОЛС является лазерная дальномерная установка, предназначенная для измерения расстояний до космических объектов, оборудованных уголковыми отражателями. Лазерная система такого типа, относимая к аппаратуре третьего поколения MOBLAS, имеет следующие технические характеристики:

· излучение ведется на волне 532 нм;

· пиковая мощность 0,5 ГВт при длительности 0,2 не;

· частота повторений 5 Гц;

· ширина диаграммы направленности передатчика 0,1 мрад;

· диаметр приемной оптической системы 0,75 м.

Приведенные технические характеристики совместно с удачно

выбранным алгоритмом обработки принятого отраженного сигнала позволяют обеспечить погрешность единичного измерения дальности на уровне 2 см.

Дальнейшее повышение точности связано с накоплением отраженных сигналов с использованием прогнозируемой дальности до ИСЗ.

Оптические локационные станции могут применяться и в качестве высотомеров, решая при этом задачу измерения дальности до установленных на земле уголковых отражателей.

При проектировании одной из таких систем была заложена погрешность измерения менее 1 см, что потребовало проведения измерения на двух длинах волн (532 и 355 нм), позволяющего учитывать влияние атмосферной рефракции на задержку отраженных импульсов.

Длительность импульса 0,1 не при частоте повторения 40 Гц. Выходная энергия на указанных ранее длинах волн 60 и 20 мДж. Ширина диаграммы направленности передатчика 0,1 мрад, а апертура приемной оптической антенны имела диаметр, равный 18 см.

Во многих случаях используются фазовые дальномеры, принцип действия которых основан на измерении фазы гармонического колебания, модулирующего лазерное излучение.

Основное уравнение фазовой дальнометрии имеет вид

где D — измеряемое расстояние; с — скорость распространения света fm — частота модулирующего колебания, называемая масштабной; N— целое число периодов масштабной частоты, соответствующее распространению излучения до объекта и обратно;

— измеряемая разность фаз. Значения масштабной частоты находятся обычно в диапазоне 10... 500 МГц.

Среди многочисленных способов реализации фазовых светодальномеров наибольшее распространение получила схема с преобразованием частоты модуляции и измерением разности фаз на низкой разностной частоте. В этой схеме на модулятор подается гармоническое колебание частоты fm  от масштабного генератора, а на приемник гармоническое колебание fr. Приемное устройство выполняет функции приемника излучения и смесителя. Измерение фазы осуществляется в фазометрическом устройстве, на один вход которого подается выделенный приемником сигнал разностной частоты

кварцевого генератора на 12; тактовая частота в цифровом фазометре получается путем деления частоты КГ на 4. Деление тактовой частоты на 3 980 дает эталонную частоту 3,9469 кГц для работы системы ФАПЧ, управляющей частотой СВЧ гетеродина. Для упрощения рис. 9.9 этот делитель не показан, а заменен выходом кварцевого генератора с соответствующим значением частоты. Сетка частот выбрана так, чтобы при температуре 0°С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. один импульс тактовой частоты соответствовал расстоянию 0,05 мм. Цикл получения результата измерения (время интегрирования) занимает примерно 2 с. Результат измерения высвечивается на четырехразрядном цифровом табло. Единица младшего разряда соответствует расстоянию 0,1 мм.

9.5. Основы радиотеплолокации

Общие положения. Радиотеплолокации является частным случаем пассивной локации, в которой объектами наблюдения являются волновые поля, создаваемые тепловым излучением тел. Часто теплолокацию называют радиометрией, а соответствующие технические устройства радиометрами. Радиометры работают в инфракрасной, миллиметровой и сантиметровой областях электромагнитного спектра.

Достоинством пассивных РЛС является скрытность их работы, связанная с отсутствием излучения. По этой же причине энергетические характеристики, габаритные размеры и масса пассивных РЛС выгодно отличают их от РЛС, работающих в активном режиме. К недостаткам радиометрических методов следует отнести малый уровень и случайный характер принимаемых сигналов и требуемое вследствие этого большое время накопления, что делает системы теплолокацию очень инерционными и затрудняет их работу при больших скоростях взаимного перемещения станции и объекта. Сложным оказывается также и измерение координат  лоцируемых объектов. В табл. 9.1 приведены характеристики сигналов, используемых в оптической локации, а также в радиометрии. Сравнение сигналов производится на основе спектральной яркости источника B_f, определяемой как спектральная плотность потока излучения в единице телесного угла:  — спектральная плотность потока, характеризующая распределение энергетической освещенности по спектру,  Идеальным тепловым источником излучения является абсолютно черное тело (АЧТ), которое полностью поглощает падающее на него излучение во всем частотном диапазоне. АЧТ в природе не существует, но в сантиметровом и миллиметровом диапазонах по своим свойствам к АЧТ приближаются противорадиолокационные покрытия, лес и некоторые другие объекты.

Спектральная плотность потока теплового излучения АЧТ в диапазоне частот и температур, используемых в радиотеплолокации, определяется законом Рэлея—Джинса

 Подставив в правую часть неравенства (9.19) Т = 300 К, что соответствует комнатной температуре, убеждаемся, что законом Рэлея—Джинса (9.18) можно пользоваться вплоть до нижней границы инфракрасного диапазона (3 • 10¹² Гц).

Свойства реального излучателя, который в отличие от АЧТ не полностью поглощает падающее на него излучение, можно охарактеризовать яркостной температурой

где а — коэффициент поглощения.

Для непрозрачных тел в соответствии с законом сохранения энергии коэффициент поглощения а связан с коэффициентом отражения r соотношением

 Из соотношения (9.21) следует, что чем лучше тело отражает электромагнитную энергию

 тем хуже оно ее излучает

Тепловое излучение характеризуется ДН, форма которой зависит от свойств поверхности излучающего тела (гладкая, шероховатая). Направленность радиотеплового излучения зеркальных поверхностей находят по формуле . Для шероховатой поверхности излучательная способность постоянна в пределах всей полусферы (рис. 9.10).

От свойств поверхности и угла визирования зависит и поляризация излучения. Например, при угле визирования 35° от горизонтали вертикально поляризованная составляющая теплового излучения водной поверхности не зависит от волнения, что используется для измерений в любую погоду со спутника температурных характеристик морей и океанов. Наоборот, горизонтально поляризованная составляющая зависит от амплитуды волн, она позволяет оценить скорость ветра вблизи водной поверхности.

Полное излучение реальных тел складывается из двух составляющих: собственного теплового излучения и излучения отраженных электромагнитных колебаний, падающих на тело из окружа  Соотношения (9.22) и (9.23) позволяют найти температурный контраст различных источников излучения.

Обнаружение радиотепловых сигналов. В радиоастрономии, радиоразведке, пассивной радиолокации, частным случаем которой является тепловая локация, информация об источнике излучения либо о каком-то явлении нередко связана с наличием или отсутствием в наблюдаемом колебании y(t) реализации некоторого полезного ожидаемого случайного процесса. При этом решают задачу обнаружения случайного сигнала, описываемого на языке

n-мерных ПВ или функционалов ПВ.

Выражение (9.39) дает возможность оценить дальность действия радиотеплолокатора, которая зависит от того, обнаруживается ли контраст для протяженных объектов, полностью перекрывающих сечение ДНА, или малоразмерных целей площадью S_Ц. В первом случае условие обнаружения яркостного контраста имеет вид

где  определяется требуемой верностью обнаружения.

При этом несколько неожиданным, на первый взгляд, является отсутствие в выражении (9.40) дальности до цели D. Это связано с тем, что при обнаружении температурного контраста для протяженных целей с увеличением дальности растет мощность, поступающая в антенну с поверхности объекта, что и компенсирует увеличение расстояния.

Для малоразмерной цели условие обнаружения можно записать в виде

Если основным источником помех являются собственные шумы приемника, то помехоустойчивость радиометра можно повысить за счет увеличения числа каналов приема сигнала. Можно показать, что оптимальный алгоритм обнаружения внешнего шумового сигнала, который, как и собственные шумы приемника, предполагается нормальным и белым, состоит в суммировании выходных сигналов линейных трактов (ЛТ) приемников, возведении суммы в квадрат и интегрировании в течение времени наблюдения Т_н.

Обнаруживаемый сигнал и собственные шумы приемника предполагаются взаимно независимыми, спектральные плотности мощности сигнала и равные между собой спектральные плотности мощности собственных шумов приемников считаются известными. Соответствующая этому алгоритму структурная схема приведена на рис. 9.13.

При обнаружении слабых по сравнению с собственными шумами сигналов данный алгоритм дает выигрыш в отношении параметра обнаружения раз по сравнению с оптимальным одноканальным алгоритмом. Физическая сущность этого выигрыша ясна. При суммировании полезный сигнал, одинаковый в обоих каналах, удваивается, а действующее значение помехи увеличивается раз.

В реальной ситуации, когда спектральные плотности мощности сигнала и собственных шумов приемников неизвестны, оптимальное правило обнаружения предписывает сравнение с порогом оценки максимального правдоподобия коэффициента корреляции выходных сигналов линейных трактов При записи выражения (9.42) предполагалось, что постоянная составляющая на выходах ЛТ отсутствует. Можно показать, что при сохранении предположений, о которых шла речь ранее (слабый по сравнению с шумом в каналах сигнал, взаимная независимость сигнала и помех в каналах и равенство спектральной плотности мощности шумов в каналах), данный алгоритм по своей помехоустойчивости эквивалентен оптимальному одноканальному.

Пеленгование источников теплового излучения. Основным устройством при оценке углового положения источника теплового излучения является корреляционный радиометр (рис. 9.14).

Считая, что источник точечный И и расстояние до антенн A1и А2 много больше расстояния между антеннами b называемого базой, можно записать соотношение скорость света), связывающее оценку угла между базой и волновым фронтом, который считается плоским, и оценку времени запаздывания х волнового фронта по отношению к антеннам.

Технически после полосовой фильтрации в ЛТ (рис. 9.15) один из сигналов задерживается на контролируемое время . Далее сигналы перемножаются и интегрируются. Оценкой задержки считается такое значение , при котором достигается максимум на выходе интегратора. Рассматриваемое устройство называется двухэлементным интерферометром и находит самое широкое применение в пассивной локации.

Для точечного источника на значительном удалении при больших отношениях сигнал/шум, достигаемых за счет большого времени накопления Т_н, можно воспользоваться границей Крамера— Рао и для дисперсии оценки времени запаздывания записать следующее соотношение:

где (i — отношение значений спектральных плотностей мощности сигнала и шума на частоте «о, соответствующей максимуму СПМ сигнала; N— полоса пропускания ЛТ.

При записи выражения (9.43) предполагалось, что полезные сигналы на выходах ЛТ синфазны (фазовые ошибки, связанные с распространением излучения, приходящего к антеннам интерферометра по разным трассам, а также ошибки, связанные с различием фазовых характеристик ЛТ, отсутствуют). В тех случаях, когда наблюдение ведется в одной точке, для пеленгации источника излучения используют направленные свойства антенн поверхностного (рупорные или зеркальные) или дискретного (антенные решетки) типов.

При применении апертурных антенн основными являются два метода пеленгации: метод максимума для радиотеплокатора (РТЛ) кругового обзора и метод сравнения амплитуд для РТЛ со слежением за источником излучения.

Типичным примером РТЛ следящего типа является радиосекстант — прибор, позволяющий измерять угловые координаты внеземных источников излучения.

На рис. 9.16 приведена структурная схема пеленгатора источника излучения, основанного на методе сравнения амплитуд. Антенное устройство (АУ) в такой системе имеет два выхода, каждому из которых соответствует своя ДНА (рис. 9.17). Сигналы с выхода АУ отличаются интенсивностью, зависящей от положения источника (И) относительно равносигнального направления (РН). Эти сигналы подаются на два идентичных приемника П1 и П2 (см. рис. 9.16), осуществляющих фильтрацию сигналов в полосе  Каждый из приемников, входящих в состав пеленгатора, имеет два выхода. С одного сигнал подается на квадратичный детектор (КД), а с другого — на амплитудно-фазовый детектор (АФД).

В АФД формируется разность результатов квадратичного детектирования суммы и разности выходных сигналов приемников П1 и П2. Усреднение за время наблюдения выходного сигнала АФД дает оценку мощности пеленгуемого сигнала. Ненормированная (зависящая от мощности сигнала) оценка пеленга получается в результате образования разности выходных сигналов квадратичных детекторов каналов и ее усреднения. Нормирование заключается в делении ненормированной оценки на оценку мощности сигнала (усредненный выход АФД) и крутизну нормированной пеленгационной характеристики K_п, определяемую параметрами антенного устройства.

Можно показать, что дисперсия оценки пеленга в условиях высокоточных измерений

 В системах теплолокации для определения положения источника излучения (И) используют три метода: угломерный,

разностно- дальномерный и угломерно-разностно-дальномерный.

Для реализации угломерного метода необходимы два пункта П1 и П2, отстоящие друг от друга на расстояние Ь, называемое базой. В одном из пунктов измеряют азимут и угол места (а, и (3,), а во втором можно ограничиться измерением одного из углов ос₂ или (3₂. Измерение второго угла может быть использовано для повышения точности. Если измеряются два азимута (а_1ч а₂) и угол места (3, (рис. 9.18), то дальность до источника от П1 определяется на основе несложных геометрических расчетов

При использовании разностно-дальномерного метода (рис. 9.19) необходимо иметь четыре приемных пункта ПО, П1, П2, ПЗ. Положение источника И определяется как точка пересечения трех гиперболоидов вращения с фокусами в точках расположения приемных пунктов. Измерение разностей расстояний от источника до приемных пунктов осуществляется корреляционным методом и требует синхронизации временных шкал в приемных пунктах. Такая синхронизация может быть осуществлена на основе использования системы единого времени.

Угломерно-разностно-дальномерный метод объединяет в себе оба рассмотренных ранее метода. Для его реализации, как и в угломерном методе, требуются два пункта, на одном из которых измеряется азимут а и угол места р, а на другом — разность расстояний от И до приемных пунктов П1 и П2 (рис. 9.20). Дальность до источника от П1 вычисляется по формуле

Зная ошибки измерения углов и разности времени прихода сигналов в приемные пункты, нетрудно рассчитать погрешности оценивания координат источника излучения различными методами.

Наибольшую точность измерения обеспечивает разностно-дальномерный метод, но для его реализации, как уже отмечалось, требуется, как минимум, четыре пункта измерения и синхронизация временных шкал. Для угломерного и угломерно-разностно-дальномерного методов измерения число измерительных пунктов вдвое меньше, но для получения высокой точности оценки координат источника необходимо точное измерение углов, что требует применения приемных антенн с большой апертурой.

9.6. Применение теплолокационных систем

Среди многочисленных применений теплолокационных систем (исследование поверхности Земли и других планет, экологический контроль, разведка грунтовых вод и определение влажности почвы, измерение метеорологических параметров, техническая и медицинская диагностика) остановимся более подробно на датчиках информации бортовых навигационных систем. Системы, использующие такие датчики, называются радиометрическими навигационными системами.

Обычно выделяют два основных класса радиометрических навигационных систем.

К первому классу относят радиосекстанты — системы, предназначенные для определения угловых координат  внеземных источников радиоизлучения (Солнце, Луна, звезды).

Радиосекстанты работают обычно в режиме автоматического сопровождения источника излучения по угловым координатам, применяя чаще всего конические сканирующие диаграммы направленности антенны. На рис. 9.21 приведена функциональная схема простейшего радиосекстанта.

Центральным элементом радиосекстанта является радиометр, обеспечивающий оптимальную фильтрацию поступающего от антенны внешнего излучения. Выходной сигнал радиометра содержит информацию об ошибке сопровождения источника излучения по угловым координатам. Эти ошибки выделяются с помощью фазовых детекторов канала высоты и курсового канала, на которые подается продетектированный сигнал с выхода радиометра и напряжение опорного генератора, связанного с мотором сканирования ДН антенны радиосекстанта. Усилители и приводы по углу высоты и курсовому углу обеспечивают совмещение оси сканирования диаграммы направленности антенны с направлением на источник излучения.

Ко второму классу радиометрических навигационных систем относят

корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС) летательных аппаратов, работающие по геофизическим, а в нашем случае по радиотепловым полям. Принцип работы таких систем (см. подразд. 1.2) состоит в сравнении параметров теплового поля, измеряемого датчиком (радиометром), с параметрами поля, хранящимися в памяти бортового компьютера (карты поля). Сравнение основано на достижении экстремума некоторого функционала. Как правило, этот функционал имеет вид корреляционного интеграла, откуда и следует название КЭНС.

Для обращения к карте поля необходимо иметь оценку координат ЛA. Обычно для этого используется инерциальная навигационная система (ИНС). В свою очередь уточненные координаты ЛA, получаемые от КЭНС, могут быть использованы для оценки погрешностей и последующей коррекции данных И НС.

Как видно из описания рассмотренных систем, центральным элементом, во многом определяющим качество работы теплолокационной системы, является радиометр.

Сформулируем основные требования, предъявляемые к радиометру, и остановимся на средствах их достижения.

Выбор диапазона частот. Работу необходимо вести в той области частот, в которой спектральная плотность потока излучения Пf лоцируемого объекта максимальна, а мешающее действие других источников шумов минимально. Из формулы (9.18) следует, что Пf растет пропорционально квадрату частоты, поэтому в качестве рабочего выбирают диапазон, в котором возможно создание мало- шумящих приемников и минимальны помехи от космического и других видов излучения. Этот диапазон в настоящее время лежит в полосе частот от единицы до нескольких сотен гигагерц.

Требования к антенной системе. Она должна обладать хорошей пространственной и поляризационной селекцией принимаемого излучения, иметь сканирующее устройство для перекрытия рабочей области обзора.

Радиометрический приемник должен обладать высокой чувствительностью и стабильностью характеристик, позволяющих обеспечить высокоточное определение как абсолютной яркостной температуры объекта Т_я (подстилающей поверхности, цели и др.), так и контраста  температур различных участков лоцируемой поверхности. Из проведенного ранее анализа качественных показателей радиометра следует, что для этого необходимо увеличивать полосу пропускания приемника и время усреднения. В современных радиометрах полоса пропускания высокочастотного тракта приемника составляет сотни мегагерц (единицы гигагерц). При этом необходимо свести к минимуму собственные шумы приемника за счет глубокого охлаждения входных каскадов, использовать малошумящие схемы и элементы.

4. Устранение составляющей выходного напряжения, обусловленной собственными шумами приемника, может осуществляться методами компенсации, модуляции принимаемого излучения или корреляционного приема.

В приемнике с компенсацией собственного шума из выходного сигнала детектора вычитается постоянная составляющая, соответствующая уровню собственных шумов. Нестабильность шумовых параметров снижает эффективность этого приема.

Наибольшее распространение получили модуляционные приемники радиотеплового излучения, в которых производится амплитудная модуляция входного сигнала путем переключения входных цепей приемника от антенны к эталонному резистору или генератору шума (рис. 9.22). Если частота коммутации (обычно 20... 1 ООО Гц) больше ширины спектра флуктуаций уровня собственных шумов, то при синхронном детектировании, состоящем в умножении выходного сигнала УНЧ на опорный сигнал, управляющий коммутатором, и последующем интегрировании, составляющая собственных шумов будет резко ослаблена.

В корреляционном радиометре (рис. 9.23) выходные сигнала двух линейных трактов JIT1 и ЛТ2, каждый из которых содержит УВЧ, смеситель и УПЧ, перемножаются и интегрируются.

Примером реализации изложенных принципов построения служит океанографический радиометр, установленный на ИСЗ «Сисат».

Радиометр работает на пяти частотах (6,63; 10,69; 18; 21 и 37 ГГц), раздельно принимая на каждой частоте вертикально и горизонтально поляризованные излучения.

Полоса пропускания малошумящего усилителя радиочастоты составляет 250 МГц. При времени усреднения от 0,03 до 0,12 с радиометр обеспечивает разрешение  от 0,3 до 1 К.

Широкое распространение получили системы управления высокоточным оружием, основанные на использовании теплового излучения цели. Для повышения помехозащищенности они обычно комплексируются с радиолокационными, телевизионными и инерциальными системами*.

Контрольные вопросы

1.Какие типы лазеров используются в ОЛС?

2.В чем достоинства и недостатки ОЛС?

3.Каковы наиболее перспективные области применения ОЛС?

4.Какие изменения претерпевает оптическое излучение при распространении через турбулентную среду?

5.Чем объясняется широкое использование модели нормального случайного поля при математическом описании оптического сигнала?

6.Какие параметры ОЛС, характеристики среды распространения излучения и свойства цели определяют дальность действия ОЛС?

7.Какую структуру имеет оптимальный обнаружитель одномодового стабилизированного по амплитуде излучения лазера, отраженного от зеркальной поверхности при отсутствии возмущающего действия среды на фоне помехи в виде нормального белого света?

8.Какая величина сравнивается с пороговым уровнем при обнаружении оптического сигнала? От чего она зависит при наличии и отсутствии полезного сигнала?

9.В чем суть работы импульсных и фазовых светодальномеров? Приведите примеры и назовите технические характеристики импульсных и фазовых светодальномеров.

10.Какие меры могут быть использованы для уменьшения влияния собственных шумов приемника радиотеплолокатора?

11.В чем суть работы корреляционного радиометра? Чем определяется точность оценки углового положения источника излучения с помощью корреляционного радиометра?

12.Какие методы используются в теплолокации для определения положения источника излучения? Назовите их достоинства и недостатки.

13.Назовите основные классы радиометрических навигационных систем и опишите принципы их работы.

14.Сформулируйте основные требования, предъявляемые к радиометрам, и поясните технические решения, обеспечивающие выполнение этих требований.