Развитие современной радиолокации является отражением развития передающих устройств

Андрей Ремезов ,

полковник, кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника кафедры тактики и вооружения радиотехнических войск Военной академии воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г. К. Жукова

Развитие передающих устройств существенным образом повлияло на развитие радиолокации (хотя можно заявить и обратное – развитие радиолокации потребовало разработки новых передающих устройств). Определенные ограничения имеющихся источников электромагнитной энергии при конструировании РЛС с требуемыми характеристиками вызвали к жизни радиолокаторы с фазированными антенными решетками, что привело к возникновению новых свойств РЛС.

Все разнообразие активных радиолокаторов (излучающих электромагнитную энергию для получения информации об объектах) условно можно разделить по виду используемого сигнала на импульсные (импульсные сигналы различной формы, структуры и мощности) и непрерывные (используются непрерывные синусоидальные колебания, в том числе модулированные по частоте или фазе для измерения дальности). Наибольшее применение получили импульсные радиолокаторы, о них и будет идти разговор.

Принцип работы импульсного радиолокатора упрощенно можно описать следующим образом. Сформированный по виду и форме, усиленный до требуемой мощности импульсный сигнал на определенной частоте излучается в заданную область пространства посредством передающей антенны в виде поляризованной электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве прямолинейно и равномерно со скоростью света.

Отраженная от любой неоднородности электромагнитная волна распространяется во все стороны, в том числе и в сторону радиолокатора. После пространственно-частотно-поляризационной обработки в приемной антенне (только на заданной частоте и виде поляризации формируется диаграмма направленности с максимумом усиления из заданной области пространства) осуществляется внутрипериодная обработка и согласованная фильтрация (максимизирующая отношение сигнал/шум для априори известного конкретного вида излученного импульсного сигнала), после чего осуществляется само обнаружение отраженного сигнала как факт его превышения над сформированным порогом.

Далее осуществляется межпериодная обработка, обнаружение отметки от объекта и определение его координат, после чего осуществляется преобразование к виду, требуемому для отображения на различного рода индикаторах и заданному потребителем. При последующей межобзорной обработке осуществляется определение параметров движения объекта (курс и скорость), опознавание, распознавание, формирование и сопровождение трасс, отождествление отметок от других объектов, группирование объектов, привязка к трассе другой информации от различных источников. Указанные рассуждения справедливы для радиолокаторов с регулярным круговым обзором, для других видов обзора (секторный, адаптивный и др.), суть не меняется, изменяются частности.

Одним из основных параметров радиолокатора является максимальная дальность обнаружения объекта с заданной ЭПР. А она зависит от возможностей передающего устройства по генерированию импульсной мощности.

Именно потребность в генерировании больших импульсных мощностей (десятки и сотни кВт, единицы МВт), достижении средних мощностей в единицы и десятки кВт, позволяет говорить об отражении эволюции развития передающих устройств (в том числе технологии их промышленного изготовления) на основные тактико-технические характеристики РЛС, на возможные для использования в радиолокации диапазоны волн.

Следует оговориться, что в РЛС с регулярным обзором, количество накапливаемых сигналов при когерентном межобзорном накоплении ограничено частотой запуска передатчика и скоростью обзора заданной области пространства. При достаточно больших временах когерентного накопления требования по импульсной мощности могут быть снижены, появятся дополнительные возможности доплеровской фильтрации и разделения по скоростям движения, но это частный случай, который не противоречит общей идее.

Леонид ЯКУТИН

Радиолокационный комплекс боевого режима 5Н87 с автономным наземным радиозапросчиком (НРЗ) системы Государственного опознавания «Пароль» 73Е6

В данном материале также не будут впрямую оцениваться возможности цифровой первичной и вторичной обработки информации. Эволюция этого раздела радиолокации происходила практически по революционному сценарию, при котором за время жизненного цикла изделия даже уже на этапе заводских и государственных испытаниях, не говоря уже об этапе серийного производства и модернизации, заданные требования неоднократно превышались за счет возрастающих возможностей вычислительных средств.

За 30-40 лет от создания первого микропроцессора до появления современных вычислительных комплексов возможности цифровой первичной и вторичной обработки информации на РЛС возросли на несколько порядков, что позволяет в настоящее время практически не задумываться над их производительностью для решения прикладных задач в РЛС. Однако это совсем другая сторона истории развития современной радиолокации.

Итак, развитие радиолокации напрямую зависит от развития источников высокочастотной электромагнитной энергии.

Основная посылка при рассмотрении данного утверждения в том, что дальность обнаружения в основном зависит от мощности передающего устройства.

При проектировании радиолокатора любого класса анализируются потенциальные возможности достижения заданных тактико-технических требований. Для маловысотной радиолокации имеется небольшое послабление: требуемая дальность обнаружения ограничена дальностью прямой видимости на определенной высоте. Для этого класса РЛС можно ограничить мощность передающего устройства, что позволяет снизить габариты и вес самой станции, сделать ее более мобильной, использовать базовые автомобильные шасси меньшей грузоподъемности.

Для станций, предназначенных для обнаружения целей на средних и больших высотах, дальность прямой видимости составляет сотни километров и более, а для удвоения дальности обнаружения при прочих равных условиях необходимо увеличивать мощность в шестнадцать раз. Поэтому для данного класса РЛС определяется, как правило, разумный компромисс между мощностью передающего устройства (а это габариты и масса всей станции, а значит надежность, мобильность и живучесть) и достижимой дальностью обнаружения D заданного класса целей.

Импульсная радиолокация оперирует понятиями импульсной и средней мощностью, скважностью, которые связывают между собой понятия длительности импульса и периода повторения. Для любого передающего устройства наиболее важным понятием является средняя мощность, при которой передающее устройство функционирует с требуемой надежностью.

Поэтому выбор передающего устройства с требуемыми характеристиками определяет структуру построения всей станции, реализацию режимов ее боевого применения.

До начала 1940-х годов не существовало мощных и компактных источников электромагнитной энергии в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн. Это и определило развитие радиолокации преимущественно метрового диапазона волн. В качестве передающего устройства применялся автогенератор на электровакуумной лампе, который мог генерировать весьма ограниченный перечень импульсных сигналов, отличающийся, как правило, только длительностью. В качестве колебательных систем использовался коаксиальный резонатор, перестройка по частоте достигалась электромеханическим изменением размеров резонатора (время перестройки – до десятков секунд).

Леонид ЯКУТИН

Подвижная трехкоординатная РЛС СТ­68 для обнаружения и сопровождения маловысотных целей в активных и пассивных помехах при наличии интенсивных отражений от земли и в сложных метеоусловиях

Автогенератор не обладает возможностью формирования сложных сигналов (способных при обработке сжиматься до определенной длительности, а это разрешающая способность по дальности), начальная фаза колебаний каждого импульса случайная (возможности когерентной обработки весьма ограничены). Основные достоинства автогенератора – относительная простота и дешевизна.

Для реализации больших дальностей при заданной точности необходимо использовать сложный сигнал с внутриимпульсной модуляцией частоты или фазы, а для его реализации усилительную цепочку из нескольких (как привило 2-3) каскадов последовательно включенных усилителей мощности. При увеличении габаритов и массы передающего устройства и всей РЛС в целом, значительно увеличивается достижимый коэффициент подавления пассивных помех и местных предметов за счет возможности формирования и дальнейшей обработки последовательности сигналов с истинной внутренней когерентностью.

В метровом диапазоне волн относительно недавно появились полностью твердотельные полупроводниковые усилители мощности. До этого наиболее совершенные передающие устройства этого диапазона волн были реализованы на электровакуумных приборах – эндотронах, конструктивно объединенных общей колебательной системой и системой охлаждения, и включающих в свой состав несколько каскадов усилителей на лампах сверхвысоких частот (СВЧ) (триодах, тетродах). Относительно невысокий КПД каждого каскада усиления при реализации достаточны высоких требований к результирующим параметрам всего усилительного устройства в целом делал эндотрон довольно громоздким элементом с недостаточным ресурсом, что требовало его резервирования.

Радиолокации метрового диапазона волн присущи некоторые недостатки, основным из которых является невозможность получения высоких разрешающих способностей по угловым координатам, а значит и по высоте. Это ограничивается возможностями антенных систем. Для получения диаграммы направленности шириной 1 угловой градус по уровню половинной мощности размер апертуры антенны должен составлять от 50 до 80 длин волн λ, что при рабочей частоте 180 МГц (λ=1,7 м) составляет от 85 до 140 м.

Антенные системы такого размера для нормального функционирования в режиме регулярного обзора непригодны, так как имеют неприемлемую массу и парусность, опорные подшипники чрезвычайно нагружены и имеют повышенный износ, для регулярного вращения необходима мощность в несколько десятков кВт (повторюсь, что рассматриваются только радиолокационные станции кругового обзора).

Указанное ограничивает размеры антенн до 30 м и реализуемую ширину диаграммы направленности в пределах 3-4 угловых градусов. При таких значениях параметров антенной системы говорить о точности измерения углов места (определения высоты) не приходится. Высота определяется с большими ошибками и не может использоваться в большинстве практических приложений. (РЛС метрового диапазона волн с возможностью измерения высоты имеют специальные выделенные каналы измерения, размеры которых в вертикальной плоскости соизмеримы с размерами основной антенны в горизонтальной плоскости).

Формирование диаграммы направленности антенной системы для этого диапазона волн в угломестной плоскости происходит с учетом отраженной от земной поверхности энергии. В результате интерференции результирующая диаграмма направленности имеет ярко выраженный лепестковых характер, с провалами практически до нулевой дальности и максимумами с практически удвоенной дальностью под определенными углами места.

Для устранения лепесткового характера результирующей диаграммы направленности применяют несколько разнесенных по высоте облучателей (не менее 2-х), формирующих диаграммы направленности с взаимной компенсацией минимумов и максимумов.

Другой способ применяется при наличии большего количества разнесенных по высоте излучателей, между ними реализуется специального вида амплитудно-фазовое распределение, в результате чего добиваются требуемой формы диаграммы направленности.

Еще одним способом избавиться от негативного влияния отражений в этом диапазоне является исключение облучения в направлении земли, то есть «ноль» диаграммы направленности в угломестной плоскости не должен при сканировании опускаться ниже горизонта. Все это не позволяет определять высоту под малыми углами места с необходимой точностью, хотя дальность обнаружения маловысотных объектов в этом диапазоне волн соизмерима с дальностью их прямой видимости.

За исключением указанных выше сложностей получения информации РЛС в метровом диапазоне все остальное можно поставить в плюсы. Большая дальность обнаружения, меньшие затухания в атмосфере, большая и более сглаженная диаграмма обратного вторичного излучения (функциональная зависимость ЭПР объекта от ракурса его облучения) с меньшим уровнем случайных флуктуаций, практически отсутствие влияния технологий малой радиолокационной заметности на дальность обнаружения.

И все же невозможность получения координат объектов с высокой точностью, прежде всего угла места и высоты, с приемлемым для эксплуатации размером антенной системы, требует использовать более коротковолновые диапазоны волн. Только отсутствие мощных и компактных источников электромагнитной энергии в этих диапазонах сдерживало развитие радиолокации.

Георгий Данилов

РЛС 5Н69 (СТ­67) – мощная трехкоординатная высокопотенциальная РЛС, способная обеспечивать информацией как зенитные ракетные войска, так и авиацию в условиях массированного применения активных и пассивных помех

Начало 1940-х годов открыло новую эру радиолокации сантиметрового и дециметрового диапазонов волн появлением магнетрона. Магнетрон является электровакуумным резонансным устройством, работающим в скрещенных электрических и магнитных полях. Магнетрон является автогенератором, частота настройки зависит от объема резонаторной камеры и меняется изменением этого объема или изменением напряжения питания, количество резонаторов в камере всегда четное.

Достаточно простой и мощный источник электромагнитной энергии (импульсная мощность для типового магнетрона достигает единиц МВт при длительности единиц мкс) долгое время оставался основным типом передающего устройства для РЛС диапазона частот более 2 ГГц. Прежде всего простота и стоимость этого прибора при достижении достаточной мощности позволяли ему доминировать на протяжении более 40 лет в РЛС военного назначения. Для РЛС гражданского назначения магнетрон вполне может быть использован и в настоящее время.

Повышение требований к помехозащищенности, дальности обнаружения, электромагнитной совместимости повлияли на отказ от магнетронов в абсолютном большинстве современных РЛС военного назначения.

Практически одновременно (по некоторым источникам и ранее) был изобретен пролетный клистрон. Однако его применение в радиолокации несколько задержалось.

Клистрон является электровакуумным прибором с линейным пучком, в котором постоянное электрическое поле, ускоряющее электронный пучок, совпадает с осью магнитного поля, которое фокусирует и ограничивает электронный пучок. Для усиления высококонцентрированного линейного пучка электронов используются микроволновые резонаторы.

Принципиальным отличием является непрерывное взаимодействие СВЧ поля и электронного пучка, проходящего через замедляющую структуру. Стоимость ЛБВ выше, чем пролетного клистрона с аналогичными характеристиками. Интересным свойством усилительной ЛБВ является генерация шумов полной мощности во всей полосе частот при недостаточном уровне входной мощности, что позволяет использовать этот электровакуумный прибор в качестве простого и мощного источника шумовых колебаний в отдельных практических приложениях.

Еще одним СВЧ прибором является усилитель со скрещенными полями, имеющий колебательную систему, подобную магнетрону, разомкнутую для обеспечения входных и выходных соединений, работает в режиме усилителя мощности, в литературе встречается под названием амплитрон. Он имеет более высокий КПД (более 50%), меньший чем у пролетного клистрона и ЛБВ подобного класса коэффициент усиления (менее 20 db), при включении без ВЧ возбуждения генерирует шум полной мощности. Для работы амплитрона требуются более низкое, чем для ЛБВ и клистронов напряжение, амплитрон меньше по габаритам и массе. Может использоваться в качестве оконечного каскада усиления в сочетании с ЛБВ или клистроном.

Одним из недостатков мощных вакуумных СВЧ автогенераторов и усилителей мощности является необходимость высоковольтного модулятора, требования к параметрам вырабатываемого импульса иногда весьма жесткие и тяжело реализуемые, особенно для коротких (менее 1 мкс) и длинных (более 100 мкс) импульов. Указанное вызвано неизбежным спадом амплитуды модулирующего импульса на его длительности, что сказывается на качестве усиления всего каскада и требует применения специальных мер стабилизации параметров модулирующего импульса, что при высоких мощностях вызывает определенные трудности в реализации и при эксплуатации.

Указанное выше ограничивает применение электровакуумных СВЧ приборов в отдельных практических приложениях, а иногда делает их применение практически невозможным. Определенные ограничения накладываются пропускной возможностью мощных высокочастотных трактов при передаче энергии от передающего устройства к передающей антенной системе.

Георгий Данилов

Подвижная трехкоординатная РЛС «Десна­-М» и два высотомера типа ПРВ­13 на полигоне Ашулук

Появление в середине ХХ века полупроводниковых устройств-транзисторов, открыло новую эру радиоэлектроники. Однако до начала XXI века не существовало передающих устройств в полностью твердотельном исполнении, даже несмотря на существенные их преимущества перед вакуумными устройствами, среди которых можно назвать следующие:

время готовности снизу не ограничивается временем нагрева катода, для которого требуется определенная мощность, нет ограничения на время эксплуатации;

работа при значительно меньших уровнях напряжения (сотни вольт, а не десятки киловольт), что позволяет уменьшать габариты и массу, не требует применения для изоляции специальных материалов и масел, нестандартных деталей;

наработка на отказ значительно превышает аналогичный показатель для вакуумных устройств с аналогичными характеристиками;

невозможность получения от одного каскада требуемой мощности приводит к необходимости их группирования, что само по себе повышает надежность всего устройства в целом, так как отказ одного каскада приводит лишь к некоторой деградации, а не к отказу всего устройства в целом, кроме того, пиковые мощности относительно низкие, так как суммирование может происходить в пространстве, что позволяет использовать маломощные переключатели передача-прием для активных фазированных антенных решеток (АФАР);

широкополосность твердотельного передающего устройства в разы превосходит аналогичные показатели вакуумного СВЧ устройства, в связке твердотельное передающее устройство — антенная система — приемное устройство наименьшей полосой пропускания обладает антенная система, тогда как при использовании вакуумного передающего устройства ограничения возникают и на уровне самого передающего устройства.

Применение твердотельных передающих устройств возможно в нескольких направлениях.

Первое – замена вакуумного передающего устройства на аналогичное твердотельное для уже разработанной, выпускаемой серийно и находящейся в эксплуатации станции. В этом случае сталкиваются с необходимостью дополнительного изменения приемной системы и системы обработки информации, так как для сохранения требуемой дальности необходима средняя мощность при разрешающей способности сигнала по дальности.

Это достигается применением больших по длительности сигналов с фазовой или частотной внутриимпульсной модуляцией при относительно невысоких пиковых мощностях. Недостатки больших по длительности сигналов – большая мертвая зона.

Выход – формирование повторно в течении периода повторения сигнала для просмотра ближней мертвой зоны (на время длительности импульсного сигнала просмотра основной дальности). Так как просматривается ближняя зона, то энергетические показатели импульса могут быть снижены, может применяться сигнал с другим видом или законом внутриимпульсной модуляции.

Фактическая реализация такого решения часто не дает преимуществ, кроме надежности, однако замена автогенератора позволяет значительно повысить многие характеристики станции, прежде всего помехозащищенность от различного типа помех и разрешающую способность по дальности.

Второе направление – разработка новой станции под твердотельное передающее устройство. В этом случае возможен выбор между основными элементами станции, в том числе применение ФАР, элементы которой сами являются передающими устройствами.

Могут применяться варианты полностью активной ФАР на передачу (каждый излучающий элемент антенны запитан от отдельного модуля передатчика), полуактивной ФАР (модуль передатчика запитывает несколько элементов или подрешеток), пассивной ФАР (один общий передатчик), комбинированные варианты (одноканальный задающий генератор – проходная активная, полуактивная ФАР с оптической запиткой).

Аналогичные решения применимы для приемной части ФАР. Возможно разнесение передающей и приемной частей ФАР, что в некоторых случаях позволяет добиваться лучших результатов из-за необходимости получения требуемой развязки между мощным импульсом передающего устройства и высокой чувствительностью приемного устройства. Кроме того, управление лучом за счет изменения фаз на каждом из элементов возможно на более низком уровне, что позволяет избежать потерь мощности в фазовращателях, повышает общий КПД и надежность свей ФАР в целом.

Однако не стоит уповать на ФАР, как на панацею от всех недостатков классической радиолокации с зеркальной антенной системой. Применение твердотельных передатчиков в АФАР накладывает достаточно жесткие требования к идентичности амплитудных и фазовых характеристик элементов АФАР, особенно при больших углах электронного сканирования.

Повышенные требования предъявляются к стабильности питающих напряжений передающих модулей. При достижении определенных мощностей начинает сказываться взаимное влияние соседних передающих элементов, что не позволяет бесконечно увеличивать их мощность. Да и КПД твердотельного передающего модуля не повышается, что приводит к необходимости жесткой температурной стабилизации. Применение приемно-передающих модулей (ППМ) при достаточно высокой выходной мощности передающей подсистемы обнажает проблему развязки приемного и передающего трактов, выполненных в микроминиатюрном исполнении. Различного рода циркуляторы позволяют достичь уровня развязки порядка 20 db или чуть более, требуются дополнительные устройства защиты приемного тракта, что также требует принудительного охлаждения и не повышает надежность ППМ в целом. Все вместе взятое приводит достаточно громоздким конструкциям, высокой стоимости и недостаточной надежности ФАР (при всех имеющихся преимуществах). Применение ФАР, и особенно АФАР, должно преследовать определенные цели, быть экономически обоснованным на весь жизненный цикл РЛС с возможными модернизациями. Из РЛС с ФАР необходимо извлекать всю возможную информацию, получение которой возможно на алгоритмическом уровне при обработке в цифровой форме.

Стоит заметить, что излучаемая импульсными РЛС высокочастотная энергия используется недостаточно эффективно. Можно вспомнить принцип обнаружения объекта, суть которого в том, что электромагнитная волна отражается от неоднородности во все стороны, в том числе и в направлении облучения (что используется в классической радиолокации).

Леонид ЯКУТИН

П­18 «Терек» – мобильная двухкоординатная радиолокационная станция кругового обзора
метрового диапазона волн

Вся остальная энергия электромагнитной волны рассеивается в пространстве. Возможно получение информации об объектах за счет приема переотраженной электромагнитной волны. При этом необходимым условием является наличие точной информации о частоте и времени зондирования, области пространства, в которое излучается априори известный сигнал, взаимном расположении активной и приемной позиций.

В этом случае возможно сформировать пространственно-временные дискретные каналы приема полностью пассивной станции, которая не подвержена радиоэлектронному подавлению преднамеренной постановкой активных помех (нет демаскирующих разведывательных признаков), имеет невысокую потребляемую мощность (передающее устройство потребляет 50% и более всей подводимой мощности).

Разнесенные в пространстве активные РЛС в совокупности с пассивными приемными позволяют при совместной обработке информации получить помехоустойчивое радиолокационное поле как область пространства, в пределах которого возможно получение радиолокационной информации об объектах.

Активная РЛС может выступать в качестве пункта совместной обработки информации, в котором своя информация (но подверженная радиоэлектронному подавлению) может дополняться информацией пассивной (одной или нескольких) не подверженных радиоэлектронному подавлению станций. Совместная обработка информации от разнесенных в пространстве активных и пассивных источников позволяет осуществлять более детальное распознавание строев (количество объектов локации) и классов объектов. И хотя это несколько другая предметная область, но именно наличие ФАР в активной и пассивной станции позволяет получить заявленный синергетический эффект.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что развитие передающих устройств существенным образов повлияло на развитие радиолокации (хотя можно заявить и обратное – развитие радиолокации потребовало разработки новых передающих устройств). Определенные ограничения имеющихся источников электромагнитной энергии при конструировании РЛС с требуемыми характеристиками вызвали к жизни радиолокаторы с фазированными антенными решетками, что привело к возникновению новых свойств РЛС.

Автор не претендует на приоритет и полноту приведенных рассуждений, это, скорее всего, результат многолетней работы в области изучения и преподавания радиолокации и радиолокационной системотехники, а также эксплуатации радиолокационных станций радиотехнических войск более 30 лет.

Радиолокация до конца не познана и не будет познана. Развитие современной науки и технологии позволит извлекать значительно больше информации из существующих радиолокационных сигналов, чем имеется в настоящее время, не говоря уже об потенциальной информативности перспективных сигналов в различных диапазонах волн.

Леонид ЯКУТИН

Подвижный радиовысотомер ПРВ­13 предназначен для работы в качестве средства измерения высоты в составе радиолокационного комплекса 5Н87

Юрий МУХИН

РЛС П­37 ­ подвижная двухкоординатная радиолокационная станция кругового обзора

Литература:

1. Дружинин В.В. Справочник по основам радиолокационной техники. Стр. 344-352, 353-367, 368-375.

2. Карпекин В.Е. Радиолокационная станция обнаружения воздушных объектов. Стр. 30-47.

3. Карпекин В.Е., Рябцев И.Ф., Тюнин Н.Г., Хмель Н.Н. Проверка коэффициента шума приёмных систем. Стр. 3-26.

Вопросы:

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

1. Технические характеристики приёмных устройств РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения решает следующие основные задачи:

Выделение сигналов, отраженных от воздушных объектов, из множества других сигналов (частотная селекция);

Усиление отраженных сигналов и их преобразование по частоте;

Детектирование высокочастотных сигналов и преобразование их к виду, удобному для отображения на экране индикаторного устройства;

Обработка сигналов с целью подавления помех.

Качество выполнения приемной системой данных задач определяется ее характеристиками.

К основным из них относятся следующие:

Чувствительность приемника;

Коэффициент шума;

Динамический диапазон;

Коэффициент усиления;

Полоса пропускания;

Диапазон рабочих частот;

Помехоустойчивость.

Чувствительность приемника характеризует его способность выполнять свои функции при слабых входных сигналах. Она оценивается минимальной величиной сигнала на входе приемника, которая необходима для получения достаточной мощности на его выходе при заданном превышении над собственными шумами приемника. Количественно определяется величинами предельной и реальной чувствительности.

Предельной чувствительностью приемника P ’ п p . min называют такую минимальную мощность сигнала на входе приемника, которая обеспечивает на выходе его линейной части (входе детектора) отношение по мощности сигнала к шуму, равное единице.

Реальной чувствительностью приемника P п p . min называют такую мощность сигнала на его входе, которая обеспечивает на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум, равное коэффициенту различимости q .

Реальная и предельная чувствительность связаны зависимостью:

P пp.min = P ’ п p.min *q.

Коэффициент различимости численно равен минимально допустимому отношению сигнал/шум на выходе линейной части приемника, при котором сигнал на выходе приемника может быть уверенно обнаружен.

Чувствительность приемника тем выше, чем меньше величина P п p . min . В современных приемниках РЛС P п p . min = 10 -13 – 10 -14 Вт.

Чувствительность приемника РЛС ограничивается его собственными шумами. Они возникают в антенно-волноводном тракте, сопротивлениях, электронных лампах и полупроводниковых приборах.

Причинами шумов являются беспорядочное тепловое движение электронов и проводниках, неравномерное излучение электронов катодами в электронных лампах и т.д. С увеличением температуры уровень собственных шумов возрастает. Интенсивность шумов весьма мала. Однако проходя через приемник с большим усилением, они создают на его выходе напряжение, способное привести в действие оконечное устройство. На экране индикатора они наблюдаются в виде шумовой дорожки.

Количественная оценка шумов линейной части приемника осуществляется с помощью коэффициента шума. Коэффициентом шума приемника N называют величину, показывающую, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на выходе его линейной части, т.е.

Для идеального приемника, у которою собственные шумы отсутствуют, коэффициент шума ранен единице. Реальные приемники имеют коэффициент шума от 2 до 10. Выполнение требования высокой чувствительности приемника достигается применением малошумящих усилителей высокой частоты и всемерным снижением потерь в антенно-волноводном тракте.

Наряду с высокой чувствительностью приемник должен иметь большой динамический диапазон. Это связано с наличием на его входе помех и большого разброса амплитуд полезных сигналов. Динамическим диапазоном приемника называется величина наибольшего перепада входных сигналов, в пределах которого он еще обеспечивает нормальную работу. Количественно динамический диапазон оценивается отношением максимального входного сигнала, обработка которого приемником производится еще с допустимыми искажениями, к чувствительности приемника, выраженном в децибелах:

Д=10 lg (Р пр. max /Р пр. min)

Динамический диапазон приемных систем современных РЛС должен быть не менее 70 - 80 Дб. Его расширение достигается за счет повышения чувствительности приемника, применения схем регулирования усиления и использования специальных усилительных приборов.

Усилительные свойства приемника характеризуются коэффициентом усиления. Различают коэффициент усиления по мощности К р и коэффициент усиления по напряжению К U .

Коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности сигнала на выходе приемника Рвых. к мощности на его входе Р вх .:

К р =Р вых /Р вх

Коэффициент усиления по напряжению определяется аналогично:

К U =U вых / U вх

Коэффициент усиления определяется в относительных единицах или децибелах, причем

К дб =20 lg К

К рдб =10 lg К р

В современных приемниках общее усиление может достигать

К р = (0,1-10)*10 13 или соответственно К р = 120 - 140 д6.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (рис.3.70).

Рис. 3.70. Амплитудно-частотная характеристика приемника.

Амплитудно-частотная характеристика приемника определяет его частотную избирательность, т.е. способность выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами. Количественно частотная избирательность приемника характеризуется его полосой пропускания Df . Полоса пропускания определяется как разность частот f2 и f1 , для которых К уменьшается в , а К р - в два раза от своего максимального значения. Избирательность приемника тем выше, чем ближе форма его амплитудно-частотной характеристики к П-образной.

Предельная чувствительность, полоса пропускания и коэффициент шума связаны зависимостью:

Р’ пр. min = к*Т о *N*Df,

где: Р’ пр. min - в Вт,

к - постоянная Больцмана,

Т о = 300°К, к*Т о = 4*10 -21 Вт/с,

Df - полоса пропускания (Мгц),

N - коэффициент шума.

Диапазон рабочих частот определяется значением крайних частот, обрабатываемых приемником. Он определяется следующими требованиями:

Приемник должен допускать настройку на любую частоту диапазона;

Характеристики приемника в этом диапазоне должны изменяться в заданных пределах.

Зачастую диапазон рабочих частот называют по длине волн, обрабатываемых приемником. В диапазоне СВЧ, например, различают приемники сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов.

Помехоустойчивостью приемника называют его способность обеспечивать достоверное выделение полезного сигнала при действии различного рода помех.

Вывод: Качество выполнения приемной системой задач в составе РЛС определяется её техническими характеристиками, основными из которых являются: чувствительность, коэффициент шума, динамический диапазон, коэффициент усиления, полоса пропускания, диапазон рабочих частот, помехоустойчивость.

2. Структурная схема приёмного устройства РЛС.

Приемная система радиолокационной станции обнаружения воздушных объектов выполняется, как правило, по схеме супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке 3.71.

Рис. 3.71. Структурная схема супергетеродинного приемника.

Слабый сигнал электромагнитной энергии, принятый антенно-волноводной системой, поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ). Далее усиленный по мощности сигнал подается на высокочастотный фильтр.

Высокочастотный фильтр представляет собой колебательный контур с распределенными емкостью и индуктивностью. Его резонансная частота соответствует частоте принимаемого сигнала. Фильтр предназначен для частотной селекции полезных сигналов, а также для подавления помех по зеркальному каналу.

Основное усиление в супергетеродинном приемнике осуществляется не на частоте принимаемого сигнала, а на промежуточной частоте, более низкой по сравнению с принимаемой (в сотни раз). Перенос радиолокационной информации на промежуточную частоту осуществляет преобразователь частоты. Он состоит из смесителя, маломощного генератора незатухающих колебаний (стабильного гетеродина) и фильтра промежуточной частоты (входной фильтр усилителя промежуточной частоты).

Частота колебаний стабильного гетеродина fcг отличается от несущей частоты сигнала fc на величину промежуточной частоты fпч , т.е. fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг.

На смеситель одновременно воздействуют два напряжения: напряжение преобразуемого сигнала на высокой несущей частоте fc и напряжение стабильного гетеродина, изменяющееся по гармоническому закону с частотой fcг .

Для того чтобы получить колебание, имеющее ту же форму, что и поступающий сигнал, необходимо выделить колебание только одной комбинационной частоты. На входном фильтре усилителя промежуточной частоты (УПЧ) выделяют сигнал разностной частоты fпч = fcг - fc или fпч = fc - fcг .

УПЧ обеспечивает основное усиление и определяет полосу пропускания приемника.

В супергетеродинном приемнике при настройке на другую частоту одновременно изменяется настройка высокочастотного фильтра и стабильного гетеродина таким образом, что промежуточная частота остается неизменной. Это позволяет иметь в приемнике многокаскадный усилитель промежуточной частоты с постоянной настройкой.

Детектор преобразует модулированное высокочастотное колебание в напряжение, соответствующее модулирующему сигналу передающей системы. Например, при воздействии на его вход радиоимпульса промежуточной частоты на выходе детектора формируется видеоимпульс.

После детектора сигнал дополнительно усиливается усилителем низкой частоты (видеоусилителем) до величины, необходимой для нормальной работы индикаторного устройства.

Конструктивно вместе с усилителем низкой частоты (УНЧ) выполняются и схемы защиты РЛС от помех.

Особый интерес представляют детекторы. В детекторе осуществляется выделение сообщения из сигнала и устранение несущего высокочастотного колебания, являющегося переносчиком сообщения. В соответствии с видом модуляции различают детектирование сигналов, модулированных по амплитуде, фазе или частоте. Эти функции выполняют соответственно амплитудные, фазовые и частотные детекторы.

Спектр выходного колебания детектора лежит в области низких частот (частот модуляции), а спектр входного - в области высоких частот (центральной частоты сигнала). Такая трансформация спектра возможна только в устройствах, имеющих нелинейные или параметрические элементы. Роль таких элементов в современных детекторах выполняют обычно полупроводниковые диоды, реже транзисторы - биполярные и полевые. Выделение области частот модуляции и устранение высокочастотных составляющих спектра осуществляется фильтрами нижних частот (RС - или RLC - фильтрами).

Основным видом детектора является амплитудный детектор. Он имеет самостоятельное значение как детектор АМ-сигналов и, кроме того, входит в состав фазовых и частотных детекторов.

Современная война стремительна и быстротечна. Зачастую победителем в боевом столкновении выходит тот, кто первым сумеет обнаружить потенциальную угрозу и адекватно на нее среагировать. Уже более семидесяти лет для поиска противника на суше, море и в воздухе используется метод радиолокации, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от различных объектов. Устройства, посылающие и принимающие подобные сигналы, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радарами.

Термин «радар» - это английская аббревиатура (radio detection and ranging), которая была запущена в оборот в 1941 году, но давно уже стала самостоятельным словом и вошла в большинство языков мира.

Изобретение радара – это, безусловно, знаковое событие. Современный мир трудно представить без радиолокационных станций. Их используют в авиации, в морских перевозках, с помощью РЛС предсказывается погода, выявляются нарушители правил дорожного движения, производится сканирование земной поверхности. Радиолокационные комплексы (РЛК) нашли свое применение в космической промышленности и в системах навигации.

Однако наиболее широкое применение радары нашли в военном деле. Следует сказать, что эта технология изначально создавалась для военных нужд и дошла до стадии практической реализации перед самым началом Второй мировой войны . Все крупнейшие страны-участницы этого конфликта активно (и не без результата) использовали радиолокационные станции для разведки и обнаружения судов и самолетов противника. Можно уверенно утверждать, что применение радаров решило исход нескольких знаковых сражений как в Европе, так и на Тихоокеанском театре боевых действий.

Сегодня РЛС используются для решения чрезвычайно широкого спектра военных задач, от отслеживания запуска межконтинентальных баллистических ракет до артиллерийской разведки. Каждый самолет, вертолет, военный корабль имеет собственный радиолокационный комплекс. Радары являются основой системы противовоздушной обороны. Новейший радиолокационный комплекс с фазированной антенной решеткой будет установлен на перспективный российский танк «Армата». Вообще же, многообразие современных радаров поражает. Это абсолютно разные устройства, которые отличаются размерами, характеристиками и назначением.

С уверенностью можно заявить, что сегодня Россия является одним из признанных мировых лидеров в области разработки и производства РЛС. Однако прежде чем говорить о тенденциях развития радиолокационных комплексов, следует сказать несколько слов о принципах работы радаров, а также об истории радиолокационных систем.

Как работает радиолокатор

Локацией называют способ (или процесс) определения месторасположения чего-либо. Соответственно, радиолокация – это метод обнаружения предмета или объекта в пространстве при помощи радиоволн, которые излучает и принимает устройство под название радиолокатор или РЛС.

Физический принцип работы первичного или пассивного радара довольно прост: он передает в пространство радиоволны, которые отражаются от окружающих предметов и возвращаются к нему в виде отраженных сигналов. Анализируя их, радар способен обнаружить объект в определенной точке пространства, а также показать его основные характеристики: скорость, высоту, размер. Любая РЛС – это сложное радиотехническое устройство, состоящее из многих компонентов.

В состав любого радара входит три основных элемента: передатчик сигнала, антенна и приёмник. Все радиолокационные станции можно разделить на две большие группы:

• импульсные;
• непрерывного действия.

Передатчик импульсной РЛС испускает электромагнитные волны в течение краткого промежутка времени (доли секунды), следующий сигнал посылается только после того, как первый импульс вернется обратно и попадет в приемник. Частота повторения импульса – одна из важнейших характеристик РЛС. Радиолокаторы низкой частоты посылают несколько сотен импульсов в минуту.

Антенна импульсного радара работает и на прием, и на передачу. После испускания сигнала передатчик отключается на время и включается приёмник. После его приема происходит обратный процесс.

Импульсные РЛС имеют как недостатки, так и преимущества. Они могут определять дальность сразу нескольких целей, подобный радар вполне может обходиться одной антенной, индикаторы подобных устройств отличаются простотой. Однако при этом сигнал, испускаемый подобным РЛС должен иметь довольно большую мощность. Также можно добавить, что все современные радары сопровождения выполнены по импульсной схеме.

В импульсных радиолокационных станциях в качестве источника сигнала обычно используют магнетроны, или лампы бегущей волны.

Антенна РЛС фокусирует электромагнитный сигнал и направляет его, улавливает отраженный импульс и передает его в приемник. Существуют радиолокаторы, в которых прием и передача сигнала производятся разными антеннами, причем они могут находиться друг от друга на значительном расстоянии. Антенна РЛС способна испускать электромагнитные волны по кругу или работать в определенном секторе. Луч радара может быть направлен по спирали или иметь форму конуса. Если нужно, РЛС может следить за движущейся целью, постоянно направляя на нее антенну с помощью специальных систем.

В функции приемника входит обработка полученной информации и передача ее на экран, с которого она считывается оператором.

Кроме импульсных РЛС, существуют и радары непрерывного действия, которые постоянно испускают электромагнитные волны. Такие радиолокационные станции в своей работе используют эффект Доплера. Он заключается в том, что частота электромагнитной волны, отраженной от объекта, который приближается к источнику сигнала, будет выше, чем от удаляющегося объекта. При этом частота испускаемого импульса остается неизменной. Радиолокаторы подобного типа не фиксируют неподвижные объекты, их приемник улавливает лишь волны с частотой выше или ниже испускаемой.

Типичным доплеровским радиолокатором является радар, который используют сотрудники дорожной полиции для определения скорости автомобилей.

Основной проблемой радаров непрерывного действия является невозможность с их помощью определять расстояние до объекта, зато при их работе не возникает помех от неподвижных предметов между РЛС и целью или за ней. Кроме того, доплеровские радары – это довольно простые устройства, которым для работы достаточно сигналов малой мощности. Также нужно отметить, что современные радиолокационные станции с непрерывным излучением имеют возможность определять расстояние до объекта. Для этого используется изменение частоты РЛС во время работы.

Одной из главных проблем в работе импульсных РЛС являются помехи, которые идут от неподвижных объектов — как правило, это земная поверхность, горы, холмы. При работе бортовых импульсных радаров самолетов все объекты, находящиеся ниже, «затеняются» сигналом, отраженным от земной поверхности. Если говорить о наземных или судовых радиолокационных комплексах, то для них эта проблема проявляется в обнаружении целей, летящих на малых высотах. Чтобы устранить подобные помехи используется все тот же эффект Доплера.

Кроме первичных РЛС, существуют и так называемые вторичные радиолокаторы, которые используются в авиации для опознания воздушных судов. В состав таких радиолокационных комплексов, кроме передатчика, антенны и приемного устройства, входит еще и самолетный ответчик. При облучении его электромагнитным сигналом ответчик выдает дополнительную информацию о высоте, маршруте, номере борта, его государственной принадлежности.

Также радиолокационные станции можно разделить по длине и частоте волны, на которой они работают. Например, для исследования поверхности Земли, а также для работы на значительных дистанциях используются волны 0,9-6 м (частота 50-330 МГц) и 0,3-1 м (частота 300-1000 МГц). Для управления воздушным движением применяется РЛС с длиной волны 7,5-15 см, а загоризонтные радары станций обнаружения ракетных пусков работают на волнах с длиной от 10 до 100 метров.

История радиолокации

Идея радиолокации возникла практически сразу после открытия радиоволн. В 1905 году сотрудник немецкой компании Siemens Кристиан Хюльсмейер создал устройство, которое с помощью радиоволн могло обнаружить крупные металлические объекты. Изобретатель предлагал устанавливать его на кораблях, чтобы они могли избегать столкновений в условиях плохой видимости. Однако судовые компании не заинтересовались новым прибором.

Проводились эксперименты с радиолокацией и в России. Еще в конце XIX века русский ученый Попов обнаружил, что металлические объекты препятствуют распространению радиоволн.

В начале 20-х годов американские инженеры Альберт Тейлор и Лeo Янг сумели с помощью радиоволн засечь проплывающее судно. Однако состояние радиотехнической промышленности того времени было таково, что создать промышленные образцы радиолокационных станций было затруднительно.

Первые радиолокационные станции, которые можно было использовать для решения практических задач, появились в Англии примерно в середине 30-х годов. Эти устройства были очень большими, устанавливать их можно было только на суше или на палубе больших кораблей. Только в 1937 году был создан прототип миниатюрной РЛС, которую можно было установить на самолет. К началу Второй мировой войны англичане имели развернутую цепь радиолокационных станций под названием Chain Home.

Занимались новым перспективным направлением и в Германии. Причем, нужно сказать, небезуспешно. Уже в 1935 году главнокомандующему германского флота Редеру был продемонстрирован действующий радиолокатор с электронно-лучевым дисплеем. Позже на его основе были созданы серийные образцы РЛС: Seetakt для военно-морских сил и Freya для ПВО. В 1940 году в немецкую армию стала поступать система радиолокационная управления огнем Würzburg.

Однако несмотря на очевидные достижения германских ученых и инженеров в области радиолокации, немецкая армия начала использовать радиолокаторы позже англичан. Гитлер и верхушка Рейха считали радары исключительно оборонительным оружием, которое не слишком нужно победоносной немецкой армии. Именно по этой причине к началу битвы за Британию у немцев было развернуто только восемь радиолокационных станции Freya, хотя по своим характеристикам они как минимум не уступали английским аналогам. В целом же можно сказать, что именно успешное использование радаров во многом определило исход битвы за Британию и последующее противостояние между Люфтваффе и ВВС союзников в небе Европы.

Позже немцы на основе системы Würzburg создали рубеж ПВО, который получил название «линии Каммхубера». Используя подразделения специального назначения, союзники сумели разгадать секреты работы немецких радаров, что позволило эффективно глушить их.

Несмотря на то, что англичане вступили в «радарную» гонку позже американцев и немцев, на финише они сумели обогнать их и подойти к началу Второй мировой войны с самой продвинутой системой радиолокационного обнаружения самолетов.

Уже в сентябре 1935 года англичане приступили к постройке сети радиолокационных станций, в состав которой перед войной уже входили двадцать РЛС. Она полностью перекрывала подлет к Британским островам со стороны европейского побережья. Летом 1940 года британскими инженерами был создан резонансный магнетрон, позже ставший основой бортовых радиолокационных станций, устанавливаемых на американских и британских самолетах.

Работы в области военной радиолокации велись и в Советском Союзе. Первые успешные эксперименты по обнаружению самолетов с помощью радиолокационных станций в СССР были проведены еще в середине 30-х годов. В 1939 году на вооружение РККА была принята первая РЛС РУС-1, а в 1940 году – РУС-2. Обе эти станции были запущены в серийное производство.

Вторая мировая война наглядно показала высокую эффективность использования радиолокационных станций. Поэтому после ее окончания разработка новых РЛС стала одним из приоритетных направлений развития военной техники. Бортовые радиолокаторы со временем получили все без исключения военные самолеты и корабли, РЛС стали основой для систем противовоздушной обороны.

В период Холодной войны у США и СССР появилось новое разрушительное оружие – межконтинентальные баллистические ракеты. Обнаружение запуска этих ракет стало вопросом жизни и смерти. Советский ученый Николай Кабанов предложил идею использования коротких радиоволн для обнаружения самолетов противника на больших расстояниях (до 3 тыс. км). Она была довольно проста: Кабанов выяснил, что радиоволны длиной 10-100 метров способны отражаться от ионосферы, и облучая цели на поверхности земли, возвращаться тем же путем к РЛС.

Позже на основе этой идеи были разработаны радиолокаторы загоризонтного обнаружения запуска баллистических ракет. Примером таких РЛС может служить «Дарьял» - радиолокационная станция, которая несколько десятилетий была основой советской системы предупреждения о ракетных пусках.

В настоящее время одним из самых перспективных направлений развития радиолокационной техники считается создание РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР). Подобные радары имеют не один, а сотни излучателей радиоволн, работой которых руководит мощный компьютер. Радиоволны, испускаемые разными источниками в ФАР, могут усиливать друг друга, если они совпадают по фазе, или же, наоборот, ослаблять.

Сигналу РЛС с фазированной решеткой можно придавать любую необходимую форму, его можно перемещать в пространстве без изменения положения самой антенны, работать с разными частотами излучения. РЛС с фазированной решеткой гораздо надежней и чувствительней, чем радиолокатор с обычной антенной. Однако у подобных радаров есть и недостатки: большой проблемой является охлаждение РЛС с ФАР, кроме того, они сложны в производстве и дорого стоят.

Новые радиолокационные станции с фазированной решеткой устанавливаются на истребители пятого поколения. Эта технология используется в американской системе раннего предупреждения о ракетном нападении. Радиолокационный комплекс с ФАР будет установлен на новейший российский танк «Армата». Следует отметить, что Россия является одним из мировых лидеров в разработке радиолокаторов с ФАР.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА РЛС

Импульсные РЛС, осуществляющие когерентный прием и содержащие устройство ЧПК, называют РЛС с селекцией движущихся целей (РЛС с СДЦ).

Основная цель использования РЛС с СДЦ является режекция сигналов пассивныхпомех от неподвижных целей (зданий, холмов, деревьев), и выделение сигналов отраженных от движущихся целей для их дальнейшего использования в обнаружителях и отображения радиолокационной обстановки на индикаторе.

РЛС с СДЦ подразделяются на истинно-когерентные и псевдо-когерентные.

В истинно-когерентных РЛС зондирующий сигнал представляет собой когерентную последовательность радиоимпульсов с одинаковой начальной фазой всех радиоимпульсов или с известной разностью начальных фаз радиоимпульсов отстоящих на .

В псевдо-когерентных РЛС зондирующий сигнал представляет собой некогерентную последовательность радиоимпульсов, но при обработке принятых сигналов случайность начальных фаз используется таким образом, что прием становится когерентным.

Другими словами, как в истинно-когерентных РЛС, так и в псевдо- когерентных РЛС сигнал на выходе линейного тракта приемника, полученный при отражении зондирующего сигнала от неподвижной точечной цели, представляет собой импульсную когерентную пачку с одинаковыми начальными фазами радиоимпульсов, а при отражении от подвижной точечной цели, движущейся с радиальной скоростью начальные фазы радиоимпульсов в соседних периодах повторения отличается на .

При анализе работы когерентно-импульсных РЛС обычно делается допущение, что в пределах главного "луча" диаграмма направленности постоянна, а вне главного "луча" излучение и прием не проводятся. Это допущение позволяет считать, что даже с учетом сканирования антенны амплитуды всех импульсов когерентной пачки, полученной при отражении зондирующего сигнала от точечной подвижной или неподвижной цели, одинаковы.

Истинно-когерентные РЛС строятся на базе многокаскадного передатчика с усилителями мощности на выходе, а псевдо-когерентные РЛС - на базе высокочастотного генератора.

Для проектируемой РЛС необходимо использовать сложный сигналы с , для этого, как правило, используются истинно-когерентные РЛС.

На рис.3.1 приведена упрощенная структурная схема одного из вариантов истинно-когерентных РЛС.

Рис. 3.1 Обобщенная структурная схема РЛС

Развернутая структурная схема истинно-когерентной РЛС приведена в приложении 3.

В данной РЛС с СДЦ в качестве передатчика используется усилитель мощности (УМ) с импульсной модуляцией, а опорный сигнал формируется с помощью стабильного генератора (СГ) гармонических колебаний на частоте f пр. Преимущество данной схемы состоит в том, что она позволяет применить активный способ формирования ФМС не только на несущей частоте, но и на более низких радиочастотах.

Сигнал от стабильного генератора (СГ) в качестве опорного подается на когерентный детектор (КД). Он же поступает на формирователь ФМ сигнала (ФФМС) и далее, на смеситель (СМ1), куда одновременно подается сигнал от местного гетеродина (МГ), генерирующего гармоническое колебание на частоте f мг =f 0 -f пр. Колебания с выхода СМ1 на частоте f 0 поступают на усилитель мощности (УМ), в котором происходит усиление и импульсная модуляция гармонического ФМ колебания частотой f 0 . На выходе усилителя мощности получаются ФМ импульсы требуемой мощности и длительности, следующие с частотой f п. Эти импульсы через антенный переключатель (АП) поступают на антенну.

В режиме приема сигналы с выхода АП поступают на смеситель (СМ2),куда одновременно подается колебание от МГ. Сигналы промежуточной частоты с выхода СМ2 поступают на усилитель радиочастоты (У), настроенный на промежуточную частоту, и далее на согласованный фильтр, затем на КД, куда подается опорный сигнал с выхода СГ. Сигналы с выхода КД поступают на устройство черезпериодной компенсации (ЧПК) заданной кратности. После преобразования в однополярные сигналы с выхода ЧПК подаются на накопитель пачки импульсов (БН) и затем на видеоусилитель (ВУ), а из него на устройства обнаружения и измерения координат цели.

Для компенсации нестабильности линии задержки, используемой в ЧПК, необходима корректировка периода повторения излучаемых импульсов. Для этих целей служит блок синхронизации (БС), который, учитывая эту нестабильность, управляет формированием пачки зондирующих импульсов и блоком начальной установки (БНУ) через логическую схему (ЛС).

Проведем выбор элементной базы к данной структурной схеме:

В РЛС обнаружения с круговым обзором наибольшее распространение получили зеркальные антенны, состоящие из слабонаправленного излучастеля и зеркального отражателя. Отражатель выполняется в виде усеченного парабалоида, что позволяет получить диаграмму направленности вида косеканс квадрат.

В качестве усилителя мощности используется лампа бегущей волны (ЛБВ)

Приемник в РЛС строится по супергетеродинной схеме, которая позволяет получить более высокую чувствительность приемного тракта. Входным устройством приемника является полупроводниковый смеситель.

Местный гетеродин вследствии высоких требований к стабильности частоты выполняется на базе стабильного задающего генератора.

Согласованный фильтр для ФМ сигнала может быть реализован на основе ультразвуковых линий задержки (УЛЗ).

Формирователь ФМС описан при расчете параметров ФМ сигнала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания к изучению темы «Принципы и физические основы построения радиолокационных и радионавигационных систем» по дисциплине «Основы теории радиотехнических систем» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ, 1991. – 112 с.

2. Тексты лекций по дисциплине «Основы теории радиотехнических систем». Раздел «Обнаружение сигналов» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ. 1992. – 87 с.

3. Методические указания по изучению темы «Статистическая оценка параметров и синтез измеретилей координат целей» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПИ, 1990. – 53 с.

4. Тексты лекций по дисциплине «Основы теории радиотехнических систем». Раздел «Сложные сигналы» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик. – Одесса: ОПУ. 1996. – 51 с.

5. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Основы теории радиотехнических систем» для студентов специальности 23.01 / Сост. М.Б.Свердлик, А.А.Кононов, В.Г.Макаренко. – Одесса: ОПИ, 1991. – 52 с.

6. Лезин Ю. С. «Введение в теорию и технику радиотехнических систем»: Учеб. пособие для вузов. –М.: Радио и связь, 1986. – 280 с., ил.

7. «Радиотехнические системы» / Под. ред. Ю.М.Казаринова. – М.: Высш. шк., 1990.

Приложение 2

Структурная схема согласованного фильтра для когерентной 12-импульсной пачки 15-позиционных ФМ сигналов.

А – согласованный фильтр для одного импульса

В – накопитель пачки импульсов

Приложение 3

Развернутая структурная схема РЛС

Развернутая схема согласованного фильтра (СФ) и блока накопления (БН) приведена в приложении 2. Развернутую же схему ЧПК, благодаря любезности преподавателя, магистрантам можно не приводить.

Снизить вероятность возникновения пожаров на данном объекте. ЗАКЛЮЧЕНИЕ С целью обеспечения безопасности движения речного транспорта в камере шлюза Усть-Каменогорской гидроэлектростанции в данном дипломном проекте была разработана радиолокационная станция обнаружения надводных целей, она гораздо эффективнее, чем, например система видео наблюдения. Были рассчитаны основные тактико- ...

Техническому совершенству, боевым и эксплуатационным качествам не уступали лучшим зарубежным образцам, а нередко и превосходили их. Большинство из созданных в эти годы образцов в большей или меньшей степени представляли собой высокоточное оружие. В них использовались высокоточные инерциальные системы, системы коррекции и телеуправления движением на траектории и системы самонаведения на конечном...

КНИ явления слепой скорости и неоднозначности по дальности, для устранения которых понадобилось изменить общепринятую схему построения приемника сопровождения по дальности, а также задействовать ЦВС для решения ряда задач. Важное техническое решение было найдено, при проектировании приемной системы, в использовании одних и тех же узлов и элементов системы синхронизации для работы РЛС в режиме ЛЧМ...

Параметры обнаружения. Поскольку принимаемая пачка из N импульсов является когерентной, то. 2. Расчет параметров помехопостановщика 2.1 Расчет мощности передатчика заградительной и прицельной помех помеха помехозащита радиолокационная станция Можно выделить несколько основных типов передатчиков заградительных помех: прямошумовые передатчики; передатчики помех, использующие мощный...

6.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕДАТЧИКА

Передатчик, входящий в состав импульсной навигационной РЛС, предназначен для генерирования мощных кратковременных импульсов электрических колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ) со строго определенной периодичностью, задаваемой схемой синхронизации.

Передатчик РЛС содержит генератор сверхвысокой частоты (ГСВЧ), подмодулятор, модулятор и источник питания. Структурная схема передатчика РЛС представлена на рис. 6.1.

Подмодулятор – формирует импульсы определенной длительности и амплитуды.

Импульсный модулятор – предназначен для управления колебаниями генератора СВЧ. В модуляторе вырабатываются видеоимпульсы высокого напряжения, которые подаются на вход магнетрона, вырабатывающего радиоимпульсы СВЧ заданной длительности. Принцип действия импульсных модуляторов основан на медленном накоплении запаса энергии в специальном накопителе энергии в промежуток времени между импульсами и быстрой последующей отдаче энергии нагрузке модулятора, т.е. магнетронному генератору, за время, равное длительности импульса.

В качестве ГСВЧ используются магнетроны и полупроводниковые генераторы СВЧ (диоды Ганна).

Структурная схема импульсного модулятора показана на рис. 6.2.

При размыкании коммутирующего прибора накопитель заряжается от источника постоянного напряжения через ограничитель (резистор), ограждающий источник питания от перегрузки. При замыкании прибора накопитель разряжается на нагрузку (магнетрон) и на его зажимах анод – катод создается импульс напряжения заданной длительности и амплитуды.

В качестве накопителя может использоваться емкость в виде конденсатора или разомкнутой на конце длинной (искусственной) линии. Коммутирующие приборы – электронная лампа (для ранее выпущенных РЛС), тиристор, нелинейная индуктивность.

Наиболее простой является схема модулятора с накопительным конденсатором. Схема такого модулятора содержит в качестве накопителя энергии: накопительный конденсатор, в качестве коммутирующего прибора: коммутирующую (модуляторную или разрядную) лампу, а также ограничительный резистор и магнетронный генератор. В исходном состоянии разрядная лампа заперта отрицательным напряжением на управляющей сетке (цепь разорвана), накопительный конденсатор заряжен.

При подаче на управляющую сетку лампы от подмодулятора прямоугольного импульса напряжения положительной полярности длительностью t И разрядная лампа отпирается (цепь замыкается) и накопительный конденсатор разряжается на магнетрон. На зажимах анод – катод магнетрона создается модулирующий импульс напряжения, под действием которого магнетрон генерирует импульсы колебаний СВЧ.

Напряжение на магнетроне будет до тех пор, пока на управляющей сетке разрядной лампы действует положительное напряжение. Следовательно, длительность радиоимпульсов зависит от длительности управляющих импульсов.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с ним - и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е. отношению его анодного напряжения к анодному току

6.2. ЛИНЕЙНЫЕ И МАГНИТНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

На практике применяются модуляторы с накопительной энергией, называемые линейными модуляторами. В состав принципиальной схемы такого модулятора (рис. 6.3) входят: зарядный диод V1 , катушка зарядной индуктивности L1, накопительная линия LC , импульсный трансформатор T , тиристор V2 , зарядная цепочка C1,R1.

При запертом тиристоре линия заряжается через V1,L1 до напряжения Е . Одновременно заряжается конденсатор С1 через резистор R1.

При подаче на тиристор запускающего импульса (ЗИ ) положительной полярности тиристор отпирается, протекающий через него ток разряда уменьшает сопротивление тиристора, и происходят разряд накопительной линии на первичную обмотку импульсного трансформатора. Модулирующий импульс напряжения, снимаемый со вторичной обмотки, подается на магнетрон. Длительность формируемого импульса зависит от параметров LC линии:

На практике широкое применение нашли коммутирующие приборы в виде катушек нелинейной индуктивности, которые получили название магнитных импульсных модуляторов. Катушка нелинейной индуктивности имеет сердечник из специального ферромагнитного материала, обладающего минимальными потерями. Известно, что если такой сердечник насыщен, то его магнитная проницаемость мала, и индуктивное сопротивление такой катушки минимально. Наоборот, при ненасыщенном состоянии магнитная проницаемость сердечника имеет большую величину, индуктивность катушки увеличивается, индуктивное сопротивление возрастает.

Кроме элементов, применяемых в схеме линейного модулятора, схема магнитного модулятора (рис. 6.4) содержит катушку нелинейной индуктивности (дроссель) L1 , накопительный конденсатор C1 , нелинейной трансформатор T1 , накопительный конденсатор С2 и импульсный трансформатор T2.

Когда тиристор заперт, заряжается конденсатор С1 от источника напряжения Е и сердечник дросселя L1 намагничивается до насыщения. При отпирании тиристора конденсатор С1 разряжается на первичную обмотку трансформатора Т1 . Индуктируемое во вторичной обмотке напряжение заряжает конденсатор С2 . К концу заряда сердечник Т1 насыщается, и конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора.

Длительность модулирующего импульса определяется временем разряда конденсатора С2. В необходимых случаях при длительности импульсов, превышающих 0,1 мкс, на практике вместо конденсатора С2 включают формирующую линию. Тогда длительность модулирующих импульсов будет определяться параметрами линии аналогично схеме линейного модулятора.

6.3. ПОДМОДУЛЯТОРНЫЕ КАСКАДЫ

Управление работой разрядной (модуляторной) лампы в схеме с накопительным конденсатором осуществляется специальной схемой подмодулятора, в состав которой входят усилитель запускающих импульсов; первый ждущий блокинг-генератор, работающий в режиме деления частоты повторения импульсов; второй блокинг-генератор, формирующий импульсы управляющего напряжения фиксированной длительности и амплитуды, которые управляют работой разрядной лампы. Такая схема подмодулятора обеспечивает работу передатчика различной частотой повторения и различной длительностью зондирующих импульсов.

Управление работой линейного и магнитного модуляторов, где в качестве управляющего элемента используются тиристоры, осуществляется задающим генератором, в состав которого обычно входят усилитель запускающих импульсов, ждущий блокинг-генератор, эмиттерный повторитель, согласующий входную цепь тиристора с выходом блокинг-генератора.

Рис. 6.5. Схема подмодулятора РЛС «Океан»

На рис. 6.5 представлена принципиальная схема подмодулятора РЛС «Океан», которая, несмотря на устаревшую элементную базу, находится до настоящего времени в эксплуатации.

Данная схема имеет четыре каскада:

Усилитель запускающих импульсов (левая половина лампы Л1 типа 6Н1П),

Ждущий блокинг-генератор(правая половина лампы Л1 ),

Л2 типа ТГИ1-35/3,

Выходной каскад на тиратроне Л3 типа ТГИ1-35/3.

В зависимости от длительности модулирующих импульсов (0,1 или 1 мкс) работает тиратрон Л2 или тиратрон Л3 . В первом случае заряд накопительной линии 1 происходит через зарядное сопротивление R1. Во втором случае накопительная линия 2 заряжается через сопротивление R2.

Нагрузкой выходных каскадов являются резисторы R3 и R4 , включенные параллельно в катодную цепь тиратронов Л1 и Л2. При разряде накопительных линий на этих резисторах создается импульс напряжения заданной длительности с амплитудой 1250 В.

В качестве подмодуляторного каскада модулятора применяется блокинг-генератор. Для получения малого выходного сопротивления блокинг-генератор на выходе имеет катодный повторитель.

6.4. ОСОБЕННОСТИ МАГНЕТРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Магнетрон представляет собой двухэлектродный электровакуумный прибор с электромагнитным управлением. В диапазоне сантиметровых волн применяются многорезонаторные магнетроны. Устройство такого магнетрона показано на рис. 6.6.

11 10

Рис. 6.6. Устройство магнетрона Рис. 6.7. Пакетированный магнетрон

Основой конструкции магнетрона является анодный блок 1 в виде массивного медного цилиндра, в котором выточено по окружности четное число пазов, представляющих собой цилиндрические резонаторы 2.

В центре блока расположен цилиндрический оксидный подогревный катод 10 , имеющий значительный диаметр для получения достаточного эмиссионного тока. Резонаторы сообщаются с внутренней полостью магнетрона, называемой пространством взаимодействия, с помощью прямоугольных пазов 9. Катод укреплен внутри магнетрона с помощью держателей 12 , которые служат одновременно выводами тока 11. Держатели проходят через стеклянные спаи в цилиндрических трубках, укрепленных на фланце. Имеющиеся на фланце утолщения выполняют роль высокочастотного дросселя, препятствующего выходу высокочастотной энергии через выводы накала. С обеих сторон катода расположены охранные диски 4 , препятствующие утечке электронов из пространства взаимодействия в торцовые области магнетрона. С торцовой стороны анодного блока имеются связки-проводники 3 , соединяющие сегменты анодного блока.

Для охлаждения магнетрона на его наружной поверхности имеются ребра, обдуваемые вентилятором. Для удобства охлаждения, безопасности обслуживания и облегчения отвода высокочастотной энергии анодный блок заземляется, а к катоду прикладываются импульсы высокого напряжения отрицательной полярности.

Магнитное поле в магнетроне создается постоянными магнитами, изготовленными из специальных сплавов, создающих сильное магнитное поле.

С внешней нагрузкой магнетрон связан посредством проволочной медной петли 8 , которая одним концом припаяна к стенке одного из резонаторов, а другим присоединена к внутреннему проводу 7 короткой коаксиальной линии, проходящему через стеклянный спай 6 в волновод 5 . Колебания сверхвысокой частоты в магнетроне возбуждаются электронным потоком, управляемым постоянным электрическим и магнитным полями, направленными взаимно перпендикулярно друг другу.

В магнетронных генераторных РЛС применяются постоянные магниты, изготовленных из сплавов с большой коэрцитивной силой. Существуют две конструкции магнитных систем: внешние магнитные системы и «пакетные» магнитные системы. Внешняя магнитная система представляет собой стационарную конструкцию, между полюсными наконечниками которой устанавливается магнетрон.

В судовых навигационных РЛС получили распространение пакетированные магнетроны, у которых магнитная система является составной частью конструкции самого магнетрона. У пакетированных магнетронов полюсные наконечники входят с торцов внутрь магнетрона (рис. 6.7). Этим уменьшается воздушный зазор между полюсами, а, следовательно, и сопротивление магнитопровода, что позволяет сократить размеры и вес магнитной схемы. Схемы магнетронных генераторов представлены на рис. 6.8, а; 6.8, б.

В состав схемы магнетронного генератора входят: магнетрон, трансформатор накала и система охлаждения анодного блока магнетрона. Схема магнетронного генератора содержит три цепи: сверхвысокочастотную, анодную и накальную. Токи СВЧ циркулируют в резонансной системе магнетрона и в связанной с ней внешней нагрузке. Импульсный анодный ток протекает от положительного зажима модулятора через анод – катод магнетрона на отрицательный зажим. Он определяется выражением

	а)

Рис. 6.8. Схемы магнетронных генераторов

где I A – среднее значение анодного тока, А;

F И – частота следования импульсов, имп / с;

τ И – длительность импульса, с;

α – коэффициент формы импульсов (для прямоугольных импульсов равен единице).

Цепь накала состоит из вторичной обмотки трансформатора накала Тр и нити подогрева катода. Обычно напряжение накала магнетрона равно 6,3 В, но ввиду того, что катод работает в режиме усиленной электронной бомбардировки, полное напряжение питания нити обогрева требуется только для разогрева катода перед подачей высокого напряжения на анод магнетрона. При включении высокого анодного напряжения напряжение накала обычно уменьшают автоматически до 4 В с помощью резистора R, включенного в первичную обмотку трансформатора накала. В схеме (рис. 6.8,а) модулирующий импульс напряжения отрицательной полярности с выхода модулятора подается на катод магнетрона.

Вторичная обмотка трансформатора накала по отношению к корпусу генератора находится под высоким напряжением. Аналогично в схеме (рис. 6.8, б) один конец вторичной обмотки импульсного трансформатора ИТр подключен к корпусу, а второй конец – к зажиму вторичной обмотки накального трансформатора. Поэтому изоляция между вторичной обмоткой трансформатора накала и корпусом, а также между обмотками должна быть рассчитана на полное анодное напряжение магнетрона. Чтобы не вызывать заметного искажения формы модулирующих импульсов, емкость вторичной обмотки трансформатора накала должна быть возможно меньше (не более нескольких десятков пикофарад).

6.5. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РЛС «НАЯДА-5»

Передающее устройство РЛС «Наяда-5» входит в состав прибора П-3 (приёмопередатчика) и предназначено для:

формирования и генерирования зондирующих импульсов СВЧ;

обеспечения синхронной и синфазной работы по времени всех блоков и узлов индикатора, приёмопередатчика, антенного устройства.

На рис. 6.9 показана структурная схема передающего устройства приёмопередатчика РЛС «Наяда-5».

В состав передающего устройства входят: блок сверхвысокой частоты; модулятор передатчика; фильтр модулятора; формирователь синхроимпульсов; выпрямительные устройства, обеспечивающие питанием блоки и цепи прибора П – 3.

В структурную схему приёмопередатчика РЛС «Наяда-5» входит:

Тракт формирования сигналов стабилизации , предназначенный для формирования импульсов вторичной синхронизации и поступающих в индикатор, а также для запуска через блок автоматической стабилизации управления модулятора передатчика. С помощью этих синхроимпульсов обеспечивается синхронизация зондирующих импульсов с началом развёртки на ЭЛТ индикатора.

Тракт формирования зондирующих импульсов , предназначенный для выработки импульсов СВЧ и передачи их по волноводу в антенное устройство. Это происходит после формирования модулятором напряжения импульсной модуляции генератора СВЧ а также импульсов контроля и синхронизации сопрягаемых блоков и узлов.

Тракт формирования видеосигнала , предназначенный для преобразования с помощью гетеродина и смесителей отражённых импульсов СВЧ в импульсы промежуточной частоты, формирования и усиления видеосигнала, который затем поступает в индикатор. Для передачи зондирующих импульсов в антенное устройство и отражённых импульсов в тракт формирования видеосигнала используется общий волновод.

Тракт настройки контроля и питания, предназначенный для выработки питающих напряжений всех блоков и цепей прибора, а также для контроля работоспособности источников питания, функциональных блоков и узлов станции, магнетрона, гетеродина, разрядника и др.

6.6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ

Конструктивно передатчики РЛС совместно с приемным устройством могут располагаться как в отдельном изолированном приборе, который называется приемопередатчиком , так в антенном блоке.

На рис. 6.10 изображен внешний вид приемопередатчиков современной одно и двух канальной автоматизированной радиолокационной станции «Ряд» (3,2 и 10 см диапазона волн), который расположен в отдельном приборе. Основные технические характеристики показаны в таблице 6.1.

Приемопередатчики 3-х см диапазона (П3220 Р) с импульсной мощностью 20 кВт и более построены на базе магнетронов с безнакальным автокатодом. Данные магнетроны имеют время безотказной наработки в условиях эксплуатации более 10000 часов, обеспечивают мгновенную готовность к работе и существенно упрощают передатчик.

Рис. 6.10. Приемопередатчики автоматизированной РЛС «Ряд»

Широкое внедрение в современных судовых навигационных РЛС микроэлектроники, в первую очередь - твердотельных СВЧ-приборов, микропроцессоров, позволило, в сочетании с современными методами обработки сигналов, получить компактные, надежные, экономичные и удобные в эксплуатации приемо-передающие устройства. Для исключения применения громоздких волноводных устройств и исключения потерь мощности при передаче и приёме отраженных сигналов в волноводах передатчик и приёмник конструктивно располагают в антенном блоке в виде отдельного модуля, который иногда называется сканером (см. рис.7.23). Этим обеспечивается быстросъемность модуля приёмопередатчика, а также проведение ремонта методом агрегатной замены. Включение и выключение питания таких типов приемопередатчиков обеспечивается дистанционным способом.

На рис. 6.11 показано антенно-передающее-приёмное устройство береговой РЛС (БРЛС) «Балтика-Б», выполненного в виде моноблока. БРЛС «Балтика-Б» используется в качестве береговой РЛС в системах управления движения судов (СУДС), а также на акваториях портов, подходных каналах и фарватерах.

Антенна и приемопередатчик БРЛС «Балтика»

с горячим резервированием

Подробнее о современных радарах изложено в главе 11 учебного пособия.