Виктор Млечин 4. Виктор Владимирович Млечин На передних рубежах радиолокации Виктор Млечин На передних рубежах радиолокации

• Название: Виктор Владимирович Млечин На передних рубежах радиолокации Виктор Млечин На передних рубежах радиолокации
• Дата: 21.04.2018
• Размер: 1.18 Mb.
• Имя файла: Виктор Млечин 4.rtf
• Тип: Документы; #41769
• страница: 11 из 25

N ячеек, размер которых определяется точностью измерения параметров. Расчёт времени, необходимого для анализа и нахождения оптимальных значений параметров, должен проводиться с учётом того, что для установления режима следует предусматривать выдержку, конкретную для каждого параметра, Опыт показывает, что при анализе многоразмерной области параметров на последовательный поиск уходит слишком много времени, порой превышающего весь цикл работы системы. Несмотря на это, при малом числе параметров в условиях ускоренного прохождения области ввиду простоты метод последовательного анализа находит широкое применение. Для сокращения времени поиска используются многоходовые процедуры, основанные на измерении эффективности по заданному критерию и переходе к поиску по следующему параметру в критический момент начала снижения эффективности действия системы. Существуют и другие методы поиска, известные как метод градиента, метод наискорейшего спуска и т. д. Все эти методы уменьшают общее время поиска за счёт усложнения процедуры, а следовательно, и схемной реализации поиска.

Говоря о системах автоматического управления, нельзя не сказать о всё более расширяющемся классе автоматов. Автоматы выполняют целый ряд функций, но без непосредственного участия человека. Существует большая номенклатура разработанных автоматов, к которой относятся станки автоматы, фасовочные автоматы, торговые автоматы, банкоматы и др. К автоматам можно причислить и образцы робототехники, беспилотных летательных аппаратов, самодвижущихся танков и т. д. Автоматы в своём большинстве основаны на использовании дискретной, в том числе цифровой, техники и отличаются следующими свойствами: на входах и выходах данные X и Y поступают в дискретные моменты времени и квантуются по величине, причём конечное число её фиксированных значений выбирается из входного и выходного алфавитов; промежуточные значения модели Z фиксированы и конечны, при этом они определяются как входной величиной Х в тот же момент времени, так и предыдущими значениями Z . Различают автоматы с конечной памятью и автоматы с бесконечной памятью. В основе действий автоматов лежит использование логических функций из арсенала математической логики. В последнее время получили развитие адаптирующиеся автоматы. Промежуточные состояния модели таких автоматов Z зависят от случайной среды и меняются с изменением выхода. С появлением ошибок назначаются штрафные санкции, подаваемые на вход. Вследствие этого вероятность наказания снижается, а модель как бы «приспосабливается» к изменениям среды. С началом развития моделирования стали создаваться модели автоматов, отражающих функционирование живых организмов. Моделирование нейронов, объединённых в нервные сети, основано на использовании дискретной техники, логических функций, реализующих взаимодействие отдельных нейронов и пороговых элементов, моделирующих процесс возбуждения нервных клеток. Наиболее удачными считаются вероятностные (стохастические) модели и среди них модели, называемые персептронами. Они обладают памятью и имеют случайную структуру связи между элементами. Персептрон оказался одним из первых автоматов, способных учиться распознаванию образов.

Обучение как вероятностный процесс обычно рассматривается в параллель с процессом адаптации¹⁹. Известны автоматы для обучения распознаванию образов, автоматы для обучения целесообразному поведению путём введения «оценок» при поощрении или наказании. В общем случае учитель (обучающий) передаёт знания ученику (обучаемому) в виде алгоритма решения задачи или сообщает эти знания при помощи примеров. Второй метод считается более эффективным. Мы им будем пользоваться в дальнейшем.

Когда на автоматическую систему воздействуют случайные нежелательные возмущения и она борется с ними, предполагается, что других влияющих на это систем нет. Нередки, однако, случаи функционирования двух систем, «интересы» которых противоположны. При этом управляющие воздействия, вырабатываемые каждой из систем, могут оказаться вредными для другой стороны. Это представляет собой пример так называемой конфликтной ситуации. Конфликты возникают в живой природе, в военной области, при экономической конкуренции. В этих условиях, при наличии признаков борьбы, управляемая система на основе выбранной стратегии вырабатывает реакцию наибольшего благоприятствования при самых неблагоприятных действиях оппонента. В теоретическом плане исследованиями возможных стратегий занимается теория игр. Наиболее продвинутой является теория парных игр с нулевой суммой, где выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. Возможные выигрыши при такой игре определяются платёжной матрицей m x n , где m действиям игрока А (m строк матрицы) противопоставляются n действий игрока В (n столбцов матрицы). Оптимальная стратегия, называемая стратегией минимакса, для игрока А состоит в выборе максимального элемента матрицы по строкам из минимальных по столбцам, а для игрока В – минимального по столбцам из максимальных по строкам. Если в матрице имеется элемент, который является одновременно максимальным для игрока А и минимальным для игрока В , то говорят, что матрица содержит седловую точку, соответствующую чистой стратегии. При отсутствии седловой точки возможно случайное применение с заданными вероятностями тех или иных чистых стратегий. В этом случае имеет место смешанная стратегия. При такой стратегии возможно доминирование одного из игроков.

Перейдём теперь от обобщающих задач кибернетики к проблемам радиолокации и противорадиолокации. Здесь я должен заметить, что весь приведённый ниже материал имеется в открытых публикациях, и все непростые усилия автора были направлены на поиск и компоновку добытых сведений и представлении их в возможно более доступном виде для широкого читателя.

Начнём со свойств радиолокационных сигналов, в том числе сигналов, отражённых от радиолокационных целей. Вообще, сигнал является средством передачи информации от одного объекта к другому. Сигнал передаёт сообщения по каналу связи. Мера количества информации, передаваемых сигналом, зависит от вероятностей поступления сообщений. Если одно из n поступающих сообщений достоверно (с вероятностью единица), а вероятности поступления других (n – 1) сообщений соответственно равны 0 (т. к. р ₁ + р ₂ + … + р _n = 1), то среднее количество информации равно нулю. Численно количество информации определяется суммой произведений вероятности сообщения на её логарифм. Основанием логарифма является число два, в физике часто используются натуральные логарифмы. При двух равновероятных событиях р ₁ = р ₂ = р = 0,5, количество информации
Н = – р ₁log₂p ₁ – р ₂log₂p ₂ = 1 бит.
Генерируемый передатчиком РЛС сигнал в простейшей форме (известной нам из основ тригонометрии) может быть представлен с помощью одной из гармонических функций (Sin или Cos) в виде u (t ) = A Cos(ωt + φ), где А – амплитуда сигнала, ω – частота, t – время, φ – фаза. В написанном виде сигнал относится к непрерывным сигналам, ибо время t пока ничем не ограничено, а параметры сигнала постоянны. Однако параметры гармонического сигнала могут со временем меняться по тому или иному закону или, как говорят в радиотехнике, модулироваться. Например, амплитуда А может быть промодулирована около некоей постоянной величины А ₀, т. е. А (t ) = А ₀ + A _mSinΩt , где обычно Ω < ω, а глубина модуляции A_m << А₀. Но модуляция амплитуды может иметь и 100 % глубину. Так, если произвести амплитудную модуляцию исходного сигнала периодической последовательностью импульсов длительностью τ и частотой повторения F , получим вместо непрерывного импульсный радиосигнал, состоящий из набора высокочастотных импульсов с указанными длительностью и частотой следования. Аналогичным образом может модулироваться частота сигнала ω = ω(t ₀) или его фаза φ = φ(t ). Могут быть и смешанные модуляции, например по амплитуде и частоте.

Радиолокационным сигналам и методам их модуляции посвящена большая литература²⁰, с которой пытливый читатель может ознакомиться. Мы здесь скажем о другом. Модуляция, которой наделён радиолокационный сигнал на передающем конце канала связи, может быть извлечена на приёмном его конце с помощью детектирования. Амплитудный детектор позволяет получать информацию, заложенную при амплитудной модуляции. Так, на его выходе образуется импульсное или постоянное напряжение в зависимости от того, какой сигнал принят: импульсный или непрерывный. Для выделения из принятого сигнала частотной модуляции (ЧМ) используются частотные детекторы, называемые также частотными дискриминаторами. Если сигнал имеет фазовую модуляцию (ФМ), то для его детектирования необходим фазовый детектор, обладающий двумя входами. На первый вход подаётся принятый ФМ сигнал, а на другой вход опорный сигнал с той же несущей частотой ω, но с постоянной фазой φ = φ₀.

Но вот передатчик РЛС сформировал высокочастотный сигнал, который поступает в антенну. Задача антенны состоит в создании узкого луча, с помощью которого производится поиск и обнаружение цели, а затем определение её угловых координат. Чем более острый луч направлен на цель или, как говорят специалисты, чем меньше ширина диаграммы направленности антенны (ДНА), тем точнее измеряются координаты цели. Максимум ДНА определяет коэффициент усиления антенны. Однако антенна характеризуется и другими параметрами, такими как уровень боковых лепестков, секторы медленного поворота и быстрого качания луча, поляризация излучаемой волны.

Создаваемая антенной волна, падая на цель, рассеивается во всех направлениях, в том числе и в направлении на РЛС. Возникающее вторичное поле зависит от размеров и формы отражающего объекта – цели, от длины волны и её поляризации.

Остановимся сначала на понятии поляризации волны. Волна электромагнитного поля, распространяющаяся в той или иной среде, имеет определённым образом ориентированный вектор напряжённости электрического поля. В ряде случаев созданное поле имеет вертикально ориентированный вектор напряжённости Ā(t) . Это означает, что в каждой точке распространения волны вектор Е (t ) направлен по вертикали, а модуль (величина) вектора меняется во времени от положительного до отрицательного значения, и в обратном направлении со сверхвысокой частотой задающего колебания. Поле с такой ориентацией вектора Ā(t) называется вертикально поляризованным. Аналогично, при горизонтально ориентированном векторе напряжённости электрического поля имеем случай горизонтальной поляризации. Когда же вектор Ā(t) наклонён по отношению к осям координат, т. е. имеет составляющие по обеим осям, а фазы этих составляющих одинаковы, говорят, что поле линейно поляризовано. При этом угол наклона результирующего вектора определяется соотношением амплитуд составляющих векторов. Наконец, если фазы и амплитуды ортогональных векторов различны, конец результирующего вектора описывает эллипс. Период возврата в любой фиксированной точке этого эллипса обратно пропорционален частоте задающего колебания. Компоненты эллиптически поляризованной волны обычно записываются в виде вектор столбца. При отражении волны от объекта (цели) энергия вертикально поляризованной компоненты переходит в энергию как вертикально поляризованной, так и горизонтально поляризованной составляющей поля. То же самое происходит и с энергией горизонтально поляризованной компоненты падающего поля, при этом также появляются перекрёстные составляющие. Следовательно, в общем случае при отражении от объекта имеет место деполяризация падающей волны. Комплексные коэффициенты отражения составляют поляризационную матрицу рассеяния. Её произведение на вектор столбец падающей волны позволяет получить компоненты отражённого поля.

Пусть РЛС излучает и принимает сигналы одной и той же поляризации. Отражающие свойства объекта в этом случае характеризуются отношением плотностей потока мощности отражённой волны (на входе РЛС) и падающей волны (у цели). Если умножить это отношение на 4πR ², где R – расстояние РЛС цель, то получим эффективную площадь рассеяния цели σ_ц, сокращённо называемую ЭПР. В качестве простейшего объекта, моделирующего процесс отражения, возьмём шар с диаметром Д _ш = 2r _ш. Если r _ш << λ, то волна огибает шар и преобладают дифракционные явления. При этом σ_ц пропорциональна отношению Д ⁶_ш/λ⁴. С увеличением диаметра шара ЭПР изменяется сначала по затухающему колебательному закону (резонансная область), а затем когда r _ш >> λ, σ_ц становится равной видимой площади шара, т. е. σ_ц = πr ²_ш. Линейная поляризация подающего поля сохраняется у волны, отражённой от сферы. При круговой поляризации волна, отражённая от объекта идеальной сферической формы, меняет направление вращения на противоположное. Представляют интерес значения σ_ц для сложных целей. Так, малый самолёт имеет до 5 м², большой самолёт – до 50 м², крупный корабль до 10 000 м², человек 1 м². Для дальней радиолокации цели имеют в основном точечный характер. В случае ближней радиолокации необходимо учитывать реальные размеры объекта, и часто его представляют как пространственно распределённую цель.

Перейдём теперь к проблемам обзора и обнаружению цели в РЛС. Начнём с однолучевого обзора. Если антенна РЛС формирует узкий иглообразный или веерообразный луч, то для обнаружения цели в заданной области пространства необходимо произвести сканирование по азимуту, углу места или последовательно по обеим координатам. Последовательный характер перемещения луча в пространстве является особенностью этого вида обзора. Наиболее простым является круговой обзор, при котором луч антенны вращается в азимутальной плоскости, многократно совершая полный оборот на 360°. При этом угловая скорость вращения луча РЛС должна выбираться с учётом поступления в РЛС необходимого числа отражённых от цели импульсов, что также зависит от ширины самого луча и частоты повторения импульсов. Обычно круговое вращение луча производится в медленном темпе так, что трудностей с получением требуемой пачки отражённых импульсов не возникает. Сложнее обстоит дело в случае секторного обзора, при котором для обеспечения слитной немелькающей картины отметок от целей на экране индикатора требуется повышенная скорость развёртки луча. При необходимости перекрытия рабочей зоны пространства игольчатым лучом в двух плоскостях более быстрое круговое вращение луча по азимуту сочетается с медленным перемещением по углу места. В сравнительно небольшом угломестном секторе скорость перемещения луча при этом не должна допускать потери цели. В секторном варианте сканирования имеет место растровый метод обзора в двух плоскостях. Игольчатый луч совершает быстрое движение по строкам и медленное по кадрам (в другой плоскости). Выбор быстрого движения производится по той координате, где требуется более высокая точность. Возможен и смешанный метод секторного обзора. Для этого используется антенный пост с двумя антеннами. Первая антенна имеет веерообразный луч с узкой диаграммой по азимуту, вторая антенна создаёт узкую диаграмму по углу места. Сканирование в антеннах производится в плоскости узких диаграмм. Каждый из операторов снабжён своим индикатором, где производится засечка целей с точным определением угловых координат и дальности. Для выбранной цели, имеющей одинаковую дальность засечки, на обоих индикаторах определяется азимут и угол места.

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

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

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

Выше мы говорили об обзоре пространства с помощью однолучевых РЛС. Но возможности радиолокационной техники позволяют строить и многолучевые схемы. Так, для определения угла места или высоты полёта самолётов в аэродромных службах применяются многолучевые антенны на базе зеркальных рефлекторов со смещёнными облучателями по числу каналов. Для получения нескольких независимых лучей используются также диэлектрические линзы Люнеберга и металловоздушные линзы Рейнгольда. Но наибольшее распространение получили антенны типа ФАР. Число лучей или каналов, перекрывающих по углу рабочую зону, обычно не велико, но такие антенны обеспечивают определение приближённого местоположения цели по номеру канала. Для перекрытия больших углов, например при круговой обороне, могут применяться несколько РЛС с отведением каждой из них своего рабочего сектора. Внутри сектора используется быстрое сканирование либо многолучевое построение. Но при этом надо иметь в виду, что неизвестными при обнаружении цели являются не только её угловые координаты, но и дальность до цели и скорость её перемещения. Если условно поделить весь обслуживаемый данной РЛС угловой сектор на m элементов или каналов, интервал рабочих дальностей на n элементов, область возможных скоростей на p элементов, получим общий объём неопределённости, равный mnp элементов. Но вот гипотетически предположим, что элементы, внутри которых находится сигнал от цели, известны, т. е. известны номера m _i, n _j, p _k. Как обнаружить полезный сигнал малой амплитуды на фоне неизбежных внутренних шумов приёмника или, что ещё хуже, внешней шумовой помехи? Ответ, вообще говоря, очевидный. Надо по возможности использовать все известные свойства полезного сигнала, которые априори отсутствуют в шуме. Обработка сигналов обычно ведётся на промежуточной частоте. Если кроме частоты нам известна фаза приходящего сигнала, то подключив к сигнальному входу фазового детектора принятый в шумах сигнал, а ко второму входу – опорное колебание той же частоты и в нужной фазе, получим на выходе после фильтрации видеосигнал с наложенными на него остатками шума. В отсутствии более мощного сигнала шумы на выходе детектора имеют существенно меньшую интенсивность. Подобная обработка сигналов называется когерентной ввиду того, что сохраняется жёсткая привязка их фазы. Теперь для установления факта обнаружения сигнала необходимо подать продетектированную смесь на пороговое устройство. Если порог превзойдён, сигнал есть, в противном случае его нет. Важнейшее значение имеет выбор порогового уровня. При низком уровне велика вероятность ложной тревоги F _лт. С повышением уровня порога снижается опасность индикации сигнала при его отсутствии. В теории используется метод максимального правдоподобия, а уровень порога определяется отношением правдоподобия (ОП). Кроме когерентной возможна некогерентная обработка сигналов. Она состоит в стробировании импульсного сигнала по дальности и накоплении импульсов. Вернёмся теперь к вопросу о том, как определить номер элемента координатной сетки, в котором предположительно находится полезный сигнал. Обзор элементов, в принципе, производится либо последовательно во времени, либо одновременно. В соответствии с этим различают поисковые и беспоисковые системы. При поиске по направлению (углу) обзор лучом антенны производится в заданном рабочем секторе со скоростью, обеспечивающей приём отражённых сигналов, их обработку и обнаружение. Преимуществом такого вида обзора является простота реализации: при одном сканирующем луче необходим одноканальный приёмник. Однако имеются и серьёзные недостатки, связанные с энергетическими и временными потерями при разворотах луча, а также, и это главное, со снижением быстроты поиска целей, вызванным затратами на обработку и обнаружение каждого сигнала. По видимому, по этой причине во многих случаях предпочтение отдаётся беспоисковым способам секторного углового обзора. Тем не менее методы последовательного анализа и определения номера элемента, в котором обнаруживается сигнал цели, находят применение в каналах дальности и скорости. В таких системах полезный сигнал выделяется на фоне шумов путём его захвата из режима поиска. Устройство обнаружения наличия или отсутствия сигнала цели называется в системах с поиском индикатором захвата. Для повышения надёжности индикации используется не один, а несколько этапов обнаружения и различения сигнала – многоэтапный захват. Наибольшее распространение получили системы с двухэтапным захватом. В принципе, такие системы могут быть использованы для слежения за движущейся целью по любой из её координат. Однако чаще всего подобные системы применяются для слежения за доплеровской частотой отражённого сигнала. Доплеровская частота пропорциональна скорости движения цели, точнее она определяется отношением радиальной скорости объекта к длине волны, выраженной в единицах окружности. Основным параметром, определяющим поисковую систему, является среднее время поиска. Фактором, препятствующим уменьшению этого времени, является наличие шумов, внутренних или внешних. В некоторых случаях для снижения этой величины приходится идти на значительное увеличение отношения сигнала к шуму (с/ш). Выше мы упомянули о том, что весь просматриваемый диапазон частот скоростного канала может быть разбит на p элементов. Если разделить полосу каждого элемента, т. е. величину ∆f _c = ∆f /p , на скорость поиска V , получим время анализа t _A одной ячейки (элемента). Пусть сигнал находится в k  ой ячейке. Если бы шума не было, а вероятность правильного обнаружения сигнала равнялась единице, то время, затрачиваемое на поиск сигнала, легко считается: T _ПК = kt _A. Однако вмешиваются два фактора, имеющих случайную природу. Первый фактор связан с наличием шума. Выброс шума в момент прохождения холостой ячейки (т. е. без сигнала) способен создать иллюзию наличия сигнала, а это означает, что нужен второй этап для анализа ситуации длительностью t ₀, превышающей среднюю длительность выброса огибающей шума. Учитывая среднее число ложных тревог в единицу времени λ, получим увеличение времени на анализ в (1 + λt ₀) раз. Кроме того, вследствие возможного пропуска сигнала цели при проходе всего диапазона, вводится среднее число проходов, необходимых для обнаружения сигнала, и время, затрачиваемое на эти проходы. Как видим, время анализа при поиске сигнала цели может существенно превысить величину, рассчитанную без учёта указанных выше факторов, что особенно ощутимо при большом числе элементов p . Следует также иметь в виду, что скорость поиска V выбирается с учётом времени переходных процессов в фильтре на выходе анализатора. Попытки увеличения скорости вне допустимых пределов обычно приводят к повышению вероятности пропуска сигнала цели. При одновременном анализе диапазона, состоящего из p элементов, часто используется весовое суммирование выходных данных и сравнение суммарного сигнала с порогом. При этом обнаруживаются сигналы тех каналов, которые превышают установленный порог. Величина порога, как и величина весовых коэффициентов при суммировании, могут выставляться, исходя из априорных данных или на основании полученной из других источников информации о вероятных значениях измеряемых координат или из единичных поисковых процедур, выявляющих наиболее опасные зоны. При адаптивном анализе имеется обратная связь, позволяющая корректировать параметры системы после каждого проведённого опыта. Система может наряду с обнаружением сигналов производить их приближённую оценку путём выбора максимального сигнала и фиксации номера канала, в котором он обнаружен.

В этой части нашего изложения мы начинаем разговор о возможностях противорадиолокации, о тех средствах, которые реально могли бы затруднить или даже сделать невозможным нормальное функционирование РЛС²¹. Но надо понимать, что на всякий выпад неизбежно следует защитная реакция, которую наступающая сторона снова ищет возможности преодолеть. Вместе с тем развитие идёт не только по пути соперничества, но и в направлении поиска и реализации новых технических решений. Ещё раз соглашаешься с классиками, которые многократно повторяли, что движение по пути развития и прогресса происходит путём единства и борьбы противоположностей. Проблемы радиоэлектронной борьбы актуальны как 70 лет назад, так и сейчас. Борьба эта имела различные фазы накала, но и сегодня, в новых условиях, она далеко не затухла. Представляется, что радиоэлектронная борьба будет спутником технического прогресса ещё долгие годы. Наша задача сохранять мирный характер этой борьбы и не допускать её перерастания в военные фазы.

А теперь обратимся к средствам создания помех режиму обнаружения в РЛС. Самым эффективным средством здесь признаны маскирующие шумовые помехи. При действии на импульсную РЛС с фиксированной несущей частотой такая активная помеха засвечивает значительную часть экрана индикатора кругового обзора, делая невозможным оператору обнаружение и засечку целей. Если мощность станции активных помех (САП), формирующей шумовую помеху, достаточно велика, засвечиваются не только части экрана, соответствующие основному лепестку сканирующей в режиме обзора антенны РЛС, но и в более широком секторе углов, перекрывающем боковые лепестки диаграммы направленности антенны (ДНА). При этом РЛС как бы «слепнет», ибо не может разобраться, где же реально в широком секторе засветки находится носитель с источником помехи. Поэтому первой мыслью разработчиков РЛС, работающих в помеховом поле, была попытка снизить действие боковых лепестков ДНА. Тогда сектор засветки мог существенно сузиться, что способствовало бы более точной пеленгации источника помехи. Однако задача снижения уровня боковых лепестков в антенной технике достаточно сложная, особенно её трудно решать для сканирующей по углу антенны. Возникла идея подчеркнуть в РЛС основной лепесток диаграммы и скомпенсировать действие боковых лепестков. Такая компенсационная схема была разработана сначала с помощью вычитающего каскада, к которому наряду с сигналом основного канала подводился сигнал от вспомогательной антенны, фиксирующей уровень отсечки. В дальнейшем эта схема была усовершенствована путём введения корреляционной обратной связи. Мы уже выше говорили о стабилизирующем действии обратной связи. В связи с широким применением подобных компенсационных схем в радиолокации для борьбы с помехами, попробуем разобраться в их работе на основе простейших алгебраических действий, доступных школьникам. Имеется основной приёмный канал РЛС, через который проходит сумма сигнала и помехи. С учётом усиления этого канала K ₀ имеем на его выходе К ₀u ₀ = К ₀(u _сигн + u _п). Через дополнительный канал проходит только помеха, т. е. u_доп = u _п. Оба напряжения подводятся к вычитающему каскаду, образующему разность, причём u _доп подводится с некоторым коэффициентом К _доп, подлежащим определению. Итак, на выходе вычитающего каскада имеем u _вых = К ₀u ₀ – К _допu _доп. Но помеха – случайная величина, поэтому найдём среднее значение для произведения

Т. к. помеха не зависит от сигнала. то (u _сu _п)_ср = 0. Следовательно, имеем равенство

Решая уравнение относительно К _доп, найдём

что при К _рег (u ²_п) _р>> 1 даёт К _доп ≈ К ₀. Следовательно, коэффициенты усиления основного и дополнительного каналов примерно одинаковые, если обратная связь глубокая. С помощью данного метода удаётся значительно улучшить отношение сигнала к шуму в основном лепестке ДНА. Это был, так сказать, тактический шаг со стороны разработчиков РЛС. Не замедлило появиться и ответное действие создателей САП. Учитывая, что метод использует «крышу», ниже которой сигналы помехи, в том числе действующие по боковым лепесткам, на выход приёмника не проходят, они решили «опустить крышу», направив помеху не на основной, а на ортогональной поляризации. В этом случае все «боковики» вновь вылезают, как грибы, и метод компенсации теряет эффективность. «Хорошо», – сказали на стороне РЛС, но, во первых, создавать поляризационную помеху вы должны с очень большой точностью, не превышающей единиц градусов, что само по себе представляет определённую задачу, а во вторых, что вы будете делать, если мы разнесём в пространство приёмную и передающую антенны РЛС? Тогда вы вообще потеряете информацию о поляризации, на которую настроена приёмная антенна. Этот спор, думаю, будет продолжаться и дальше.

Но вернёмся к шумовой помехе. У некоторых читателей может возникнуть вопрос: А почему вы говорите о шумовой помехе, если на цели, т. е. на входе САП имеется принятая от РЛС пачка сигналов, огибающая которых, точно соответствует ДНА РЛС. Продетектируйте принятый сигнал и исказите огибающую. Помеха с такой искажённой огибающей заставит РЛС «стрелять» на 100 или 200 м вбок. Вопрос законный. Именно так делали на заре радиолокации. Тогда основным методом пеленгации целей был метод максимума, согласно которому пеленг цели определялся по максимуму огибающей принятой пачки сигналов. Поэтому разработчики САП могли в то время искажать огибающую, создавая в РЛС ошибки при пеленговании целей. В качестве примера сошлюсь на существовавшую тогда возможность формирования помехи с перевёрнутой, т. е. «провальной» модуляцией огибающей пачки, что приводило в РЛС к срыву пеленгации из за отсутствия в принятом сигнале каких либо признаков модуляции. Впоследствии такого вида помехи стали называться инверсными.

РЛС нескольких последних поколений используют другой принцип пеленгации, основанный на двухканальном приёме сигналов, сравнении принятых сигналов и выделении сигнала ошибки. Варианты, получившие широкое применение, образуют в результате сравнения разностный и суммарный сигналы, подаваемые на фазовый детектор, который и создаёт сигнал ошибки. Сравнение сигналов производят по амплитуде или фазе, в соответствии с чем различают амплитудные или фазовые суммарно разностные моноимпульсные системы пеленгации. Слово «моноимпульсный» означает, что, в принципе, пеленг цели может быть установлен по одному импульсу зондирующего сигнала.

Шумовые помехи оказались достаточно универсальным средством, эффективно воздействующим как на обзорные РЛС старых разработок, так и на моноимпульсные системы сравнительно недавних годов выпуска. Шумовые помехи делятся на заградительные и прицельные. Заградительная помеха отличается широким спектром шумов. Ранее считалось чуть ли не достижением перекрыть диапазон в 300–500 мГц. В наши дни умудряются закрыть с помощью заградительных шумов значительно более широкие участки рабочих диапазонов волн. Прицельная шумовая помеха призвана создавать воздействие в полосе, соизмеримой с полосой пропускания приёмника РЛС. Сужение полосы действия помех позволяет обеспечить прицельной помехе определённые энергетические преимущества над заградительной помехой. Основные требования к прицельной шумовой помехе кроме обеспечения необходимой мощности заключаются в отсутствии или по крайней мере минимизации провалов в спектре шумов, создании условий для автоматизации немедленной, с максимальным быстродействием, настройки на вновь появившийся источник радиолокационного сигнала, наличии надлежащей развязки между входом и выходом.

Методы формирования прицельных шумовых помех зависят от числа РЛС, находящихся в рабочей зоне САП. Если это единичные РЛС, то используется поисковая процедура. Перестраиваемый по частоте гетеродин сравнительно медленно производит обзор всего диапазона по пилообразному закону. Принятый сигнал детектируется на промежуточной частоте, и им запускается генератор широкого строба, с помощью которого поиск приостанавливается, а гетеродин в узкой полосе, охватывающей частоту принятого сигала, свипирует с повышенной скоростью. Одновременно колебания гетеродина смешиваются с колебаниями генератора промежуточной частоты, и после фильтрации преобразованный по частоте сигнал модулируется шумом, усиливается и излучается в направлении РЛС.

Если число РЛС в поле обзора велико, используются многоканальные частотно избирательные системы. Различают системы фильтрации непосредственно на СВЧ и с преобразованием по частоте. В первом случае имеются две группы – входных и выходных – полосовых фильтров. СВЧ сигналы второй группы фильтров наделены шумовой модуляцией. Пришедший в i й входной полосовой фильтр СВЧ сигнал детектируется и открывает i й СВЧ коммутатор, через который проходит сигнал i го выходного канала. В системах с преобразованием частоты имеются гетеродины по числу каналов, причём каждый гетеродин обслуживает как входной, так и выходной полосовой канал. Фильтрация производится после преобразования на промежуточной частоте. Коммутаторы срабатывают от продетектированных сигналов входной группы. Следует отметить большое быстродействие подобных схем, которые обеспечивают формирование прицельной шумовой помехи в течение интервала времени, составляющего лишь часть длительности поступающего импульса.

Шумовые помехи призваны исключить обнаружение цели и сделать невозможным измерение её координат. Что противопоставляют этому на радиолокационной стороне? Прежде всего, улучшение энергетических возможностей РЛС, совершенствование средств распознавания сигналов в помехе, поиски новых путей использования селективных возможностей при обработке сигналов. Однако главный упор делается в настоящее время на перестройку частоты передатчиков РЛС, включая перестройку от импульса к импульсу, а также на многочастотный режим работы РЛС. Надо сказать, что в целом это усложняет конструкцию РЛС, делает её менее мобильной. И хотя в последние годы разработаны достаточно совершенные устройства, называемые синтезаторами частоты, способные выдавать набор частот с малым межчастотным шагом в широкой полосе и с большим быстродействием, всё же их применение в основном ограничено установками стационарного типа.

И всё же игра стоит свеч, ибо введение в РЛС режима перестройки частоты от импульса к импульсу освобождает от помехи весь интервал дальности до постановщика помехи. Тем не менее разработчики САП стараются автоматизировать работу станции таким образом, чтобы перекрыть помехой свободные участки частотного диапазона. Погоню за провалами в частотном спектре шума иногда характеризуют такими словами: «Мы убегаем, вы догоняете». Вместе с тем существуют СВЧ приборы, охватывающие весь возможный диапазон перестройки частоты. Такие приборы используются в ретрансляционных САП. Если в САП этого типа имеется режим шумовой модуляции, то эффект от перестройки частоты менее ощутим. В многочастотных РЛС число используемых частот обычно бывает невелико. Многоканальные САП осуществляют поиск и слежение за спектром таких РЛС.

Но вот сигнал цели обнаружен, теперь необходимо его захватить и обеспечить его сопровождение, ибо цель движется, меняется её угловое положение, дальность до цели и скорость её перемещения. Методы сопровождения сигнала цели во многом зависят от типа РЛС, и мы рассмотрим сейчас основные виды РЛС и принципы, которые заложены в основе системы сопровождения для каждого из типов РЛС²².

Начнём с импульсных РЛС. Источником зондирующих сигналов является передатчик, излучающий импульс высокочастотной энергии, который после отражения от цели принимается входным устройством РЛС. Угловые координаты цели определяются путём фиксации углового положения луча антенны, а дальность – по времени прохождения сигнала до цели и обратно. Учитывая скорость распространения волны в пространстве 3 · 10⁸ м/сек, найдём расстояние до цели, равное R_км = 1,5 · 10⁵t сек, где t – время. Например, 100 км дистанции соответствует временной интервал в 660 мксек = 0,66 · 10  ³ сек. Отсюда следуют ограничения в частоте повторения импульсов F _П. При частоте F _П = 1000 Гц, максимальная дальность равна 150 км.

В совмещённом варианте, когда для приёма и передачи используется одна и та же антенна, необходимы меры для защиты входных цепей приёмника от мощных импульсов передатчика. Защита производится с помощью газовых разрядников, которые срабатывают в момент включения передатчика, замыкают вход за счёт ионизации и кратковременно отключают приёмник от антенны.

В импульсных РЛС, как правило, используется супергетеродинный приём отражённых сигналов. Для этого сигнал подаётся на СВЧ смеситель, где смешивается с сигналом местного гетеродина и образует сигнал промежуточной частоты. Местным гетеродином может служить отражательный клистрон, рабочая частота которого отличается от частоты отражённого сигнала на промежуточную частоту (обычно 30 или 60 мГЦ). Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) является основным усилителем отраженного сигнала и обеспечивает усиление более чем в миллион раз до уровня, достаточного для детектирования принятого сигнала. Полоса пропускания УПЧ соизмерима со спектром частот импульсов, но вместе с сигналом усиливаются и шумы. К уровню шумов антенны добавляются шумы смесителя и входных каскадов УПЧ. Дополнение, создаваемое приёмным трактом в отношении шумов, определяется т. н. шум фактором.

После детектирования и усиления на видеочастоте принятые импульсы поступают в систему автоматического сопровождения по направлению и в систему автоматического сопровождения по дальности. Рассмотрим их в отдельности.

Существует достаточно большое число разнообразных технических средств, реализующих системы сопровождения по направлению. Мы здесь остановимся на одном из них – методе конического сканирования. Согласно этому методу ось главного лепестка ДНА движется по образующей конуса. Если цель находится на оси образованного конуса, модуляция отражённых импульсов, вызванная сканированием луча антенны, отсутствует. При смещении цели относительно оси конуса появляется периодическая амплитудная модуляция импульсов с частотой сканирования. Глубина модуляции зависит от угла отклонения цели от оси конуса, а фаза модулирующего колебания определяется углом поворота цели в принятой системе координат. Для получения углового положения цели в виде напряжения используются два фазовых детектора, на сигнальные входы которых подаются импульсы с приёмного тракта РЛС, а на вторые входы – сигналы опорного генератора. При этом частота опорных сигналов совпадает с частотой сканирования, а фазы сдвинуты на 90°. Полученные на выходе фазовых детекторов после фильтрации сигналы рассогласования подаются в следящую систему управления движением антенны для удержания цели на оси конуса развёртки.

Представляют, конечно, интерес вид помех, которые могут быть созданы для нарушения функционирования систем углового сопровождения с коническим сканированием. Но прежде чем обсуждать эту тему, необходимо сказать о том, что на станции активных помех должен быть получен некий основополагающий набор данных, позволяющий представить хотя бы ориентировочный облик РЛС, которой надо противодействовать. К этим данным относятся диапазон излучаемых частот, вид излучения (непрерывный, импульсный), тип модуляции (амплитудная, частотная), основные параметры импульсов (частота повторения и др.), примерное направление на источник излучения и т. д. По этим сведениям могут быть воссозданы тип, принадлежность РЛС и комплекс помех, наиболее эффективных при данном противостоянии. Для получения указанных сведений используются входные радиоприёмные устройства. Наиболее простыми из них являются приёмники прямого усиления. Они позволяют получить данные о диапазонах частот РЛС, виде излучения и ряд других данных. Вместе с тем с их помощью невозможно раскрыть внутреннюю структуру сигнала и связанные с этим виды модуляции. Кроме того, приёмники прямого усиления обладают низкой чувствительностью, что затрудняет анализ слабых сигналов. Приёмники этого типа строятся обычно по схеме усилитель детектор.

В отличие от приёмников прямого усиления в устройствах, позволяющих получить значительно больший объём информации, используется супергетеродинный приём сигналов. Основная идея таких приёмников состоит в многократном преобразовании частоты принимаемых сигналов со снижением её до величин, обеспечивающих анализ сигналов имеющимися средствами. Схемно эта идея реализуется в виде каскадно включённых наборов параллельно соединённых полосовых фильтров и наборов местных гетеродинов (генераторов), причём входы фильтров первого каскада подключены к приёмной антенне, а их выходы соединены со входами фильтров следующего каскада через смесители, на гетеродинные входы которых поступают колебания от гетеродинов первой степени. Аналогично, выходы фильтров второго каскада соединены со входами фильтров следующего каскада через преобразователи частоты второй ступени и т. д. Преимущества устройств подобного типа состоят в получении перечисленных выше данных, возможности более полной идентификации РЛС по полученным данным, анализе внутренней структуры сигналов, переходе на цифру в последних каскадах, высокой чувствительности приёма. К недостаткам относятся сложность аппаратуры, ограниченный амплитудный динамический диапазон при приёме нескольких сигналов.

Предположим теперь, что с помощью входного приёмного устройства установлено, что перед постановщиком помех действует РЛС с коническим сканированием. Сам факт наличия такой РЛС определяется по присутствию амплитудной модуляции низкой частоты в излучаемом сигнале при открытом коническом сканировании или по проникающей паразитной модуляции в случае скрытого конического сканирования. Если имеет место открытое коническое сканирование, из принятого сигнала путём детектирования и фильтрации выделяется модулирующая функция, образуется противофазное напряжение, которым модулируется мощный ретранслированный СВЧ сигнал. Часто вместо синусоидальной модуляции используется противофазное меандровое колебание с частотой сканирования. При действии подобной помехи система сопровождения РЛС начинает поворачивать антенну в направлении некоей ложной цели, но одновременно происходит наделение сигнала помехи модуляцией на частоте сканирования. Оба фактора действуют навстречу друг другу. В какой то момент времени они уравновешиваются. Угол отклонения от цели, соответствующий равновесному состоянию, и определяет угловое положение образованной ложной цели. Показано, что при некотором небольшом отклонении частоты модуляции помехи от частоты сканирования движение антенны становится эллиптическим, появляются более высокие ускорения, вследствие чего повышается вероятность срыва слежения.

В некоторых РЛС передающая антенна не сканирует, а функцию конического перемещения луча относительно равносигнального направления берёт на себя приемная антенна. В этом случае, имеет место скрытое коническое сканирование. При этом данные о частоте сканирования в принятом САП сигнале отсутствуют, а попытки добыть эту информацию из паразитных излучений могут оказаться тщетными. Если сформировать прицельную помеху по частоте сканирования не удаётся, используют помеху со скользящей частотой в диапазоне ожидаемых частот сканирования. Закон изменения частоты, как правило, линейный, а скорость вариации не превышает некоторого оптимального значения. Опыт показывает, что длительность пребывания помехи в полосе пропускания системы сопровождения в течение нескольких секунд обеспечивает срыв слежения при отношении помехи к сигналу не менее 10–15 дб.

Переходим к рассмотрению системы сопровождения по дальности для случая простых импульсных сигналов зондирования. Такие сигналы были широко распространены на начальных этапах развития радиолокационной техники. В системах сопровождения по дальности используется стробирование приёмника РЛС в течение кратковременного интервала в момент ожидаемого прихода отражённого сигнала. В остальное время приёмник заперт. Так как расстояние до цели непрерывно меняется, должно изменяться и положение строба дальности. Для этого используются импульсы, называемые полустробами. Импульсы располагаются таким образом, что передний полустроб перекрывает начальную половину отражённого импульса, а задний полустроб – остальную часть принятого импульса. При этом, что важно, оба полустроба при совпадении с принятым импульсом несут разные знаки в систему сопровождения. Пусть принятый импульс имеет симметричную форму, а полустробы делят его пополам. Если, например, передний полустроб несёт положительный знак, а задний полустроб – отрицательный знак, то после фильтрации сигнал ошибки будет близок к нулю. Однако, когда симметричность нарушается, сигнал по каналу одного полустроба становится больше, чем сигнал по каналу другого полустроба, с амплитудных детекторов каналов будут сниматься напряжения разной величины. Разность этих напряжений создаёт сигнал ошибки определённой величины и знака, который меняет задержку полустробов так, чтобы свести сигнал ошибки к нулю.

Для срыва слежения дальномерного канала применяется уводящая помеха по дальности. В чём состоит смысл этой помехи? Помеха действует на основе следующих друг за другом операций. Сигнал облучающей импульсной РЛС усиливается в САП с минимальной задержкой. При приёме в РЛС мощного сигнала помехи система АРУ подавляет полезный отражённый сигнал и содействует захвату стробом дальности сигнала помехи.

Сигнал помехи, первоначально совмещённый с отражённым сигналом, постепенно сдвигается по времени и уводит строб дальности до положения, соответствующего нескольким длительностям этого строба. При этом ускорение по дальности не должно превышать допустимого ускорения при реальном движении цели. После достижения требуемого увода следует выключение помехи, а РЛС переходит в режим поиска цели, исходя из последнего положения строба дальности.

В качестве следующего примера рассмотрим моноимпульсную систему сопровождения по направлению, использующую для селекции целей канал скорости. После этого выясним, каковы основные виды помех, способные нарушить работу таких РЛС. Диаграмма антенны моноимпульсной системы амплитудного типа состоит из двух одинаковых лепестков, симметрично смещённых по углу относительно оси антенны и образованных общим отражателем и двумя облучателями, сдвинутыми в разные стороны от центра. Приём сигналов производится по каждому из лепестков. Если цель находится на оси антенны, амплитуды и фазы отражённых сигналов, принятых парциальными диаграммами, будут одинаковыми. При отклонении цели от оси антенны возникает разбаланс.

Конструкция тракта антенны даёт возможность получить как сумму, так и разность сигналов, принимаемых парциальными диаграммами. Разность сигналов подаётся на сигнальный вход фазового детектора, а на его опорный вход – суммарный сигнал. Выходной сигнал фазового детектора управляет работой системы сопровождения по направлению. При отклонении цели от оси антенны разностный сигнал становится отличным от нуля, в результате чего система сопровождения отклоняет антенну в сторону уменьшения сигнала ошибки. Для управления по азимуту и углу места используется антенна с 4 лучами. Разность сигналов правого и левого лучей подаётся на вход фазового детектора азимутального направления, а разность сигналов верхнего и нижнего лучей – на фазовый детектор угломестного направления. Суммарный сигнал снимается со всех четырёх лучей.

Для нарушения работы моноимпульсных систем сопровождения РЛС используются амплитудные и фазовые методы формирования активных помех. Амплитудные методы основаны на глубокой амплитудной модуляции принимаемых от РЛС сигналов и излучении результатов модуляции с нескольких пространственно разнесённых объектов. Практически это выражается в создании т. н. мерцающих помех, когда передатчики помех, размещённые на двух или более летательных аппаратах, периодически или по случайному закону включаются и выключаются, вызывая раскачку антенны РЛС и появление угломерных ошибок или даже срыв слежения. Различают синхронные и несинхронные мерцающие помехи. При синхронизации помех полупериоду включения на одном объекте соответствует пауза на другом. Частота коммутации передатчиков помех обычно находится в пределах полосы пропускания следящей системы по направлению РЛС.

Для создания фазированных или когерентных помех моноимпульсному угломерному координатору РЛС необходимо обеспечить на входе её приёмной антенны противофазность сигналов, излучаемых из двух разнесённых в пространстве точек и имеющих близкие амплитуды. Вследствие этого возникает фазовая неоднородность в раскрыве приёмной антенны РЛС, что приводит к отклонению равносигнального направления в сторону от направления на цель. Для длительного удержания зоны фазовых искажений на входе РЛС используется метод перекрёстной ретрансляции, состоящий в перекрёстной передаче принятых сигналов с помощью фидерных линий в соседние точки, где после усиления они излучаются.

В заключение рассмотрим принцип действия системы сопровождения цели по скорости (канала селекции по скорости). Поступающий сигнал доплеровской частоты с помощью колебания гетеродина преобразуется к промежуточной частоте, на которую настроен узкополосный фильтр. С выхода фильтра сигнал подаётся на частотный дискриминатор, который образует напряжение, пропорциональное отклонению частоты сигнала от центральной частоты дискриминатора. Полученное напряжение является сигналом ошибки, подстраивающим опорный гетеродин к принятому сигналу доплеровской частоты. Разрешающая способность системы по скорости определяется полосой узкополосного фильтра. Для срыва работы системы слежения по скорости используют помеху увода по скорости. С этой целью мощным сигналом помехи медленно изменяют доплеровскую частоту, вследствие чего строб сопровождения по скорости уводится от частоты сигнала цели на величину, заведомо превышающую ширину строба. После чего помеха выключается, а система сопровождения по скорости, потеряв в стробе сигнал, переходит в режим поиска по частоте.