Основи радіолокації

Моноимпульсная антенна

Концепція моноімпульсних антен поєднує в собі антени, побудовані у вигляді антенної решітки, і такі, що мають особливий спосіб живлення, при якому окремі її елементи не завжди живляться синфазно. Для різних завдань з прийнятої окремими антенами енергії можуть формуватися різні комбінації у вигляді суми та різниць.

1. В первинному каналі радіолокатора AN/FPS-117:
   • всі елементи антени живляться в фазі і діаграма випромінення являє собою результат їх складення
   • в режиме приймання задіяні тільки певні елементи антени, а додавання / віднімання сигналів на їх виходах формує власні канали приймання і обробки.
   Отримані за допомогою різних елементів такої антени сигнали використовуються для оцінювання кутового напрямку на ціль. Таким чином, інформацію щодо кутової координати цілі можливо отримати навіть по одному сигналу відлуння. Отже, потрібна для вимірювання координат цілі кількість відбитих імпульсів у разі використання моноімпульсних антен суттєво зменшується.
    
2. У вторинному радіолокаторі IFF/SIF Siemens 1990
   • група імпульсів випромінюється через сумарний канал
   • імпульс в різницевому каналі
   В цьому випадку моноімпульсна антена використовується для придушення бічних пелюсток.

Наведені приклади показують, що моноімпульсна антена не є окремим типом антен. Так, в запитувачі радіолокатора Siemens 1990 використовується групова антена, яка складається з логоперіодичних антен, а в радіолокаторі AN/FPS-117 використовується фазована антенна решітка.

Передумови виникнення методу мономіпульсної пеленгації

Моноімпульсні радіолокатори вперше виникли в системах супроводження. Починаючи з пізніх 1970-х, принцип моноімпульсної пеленгації був адаптований для первинних та вторинних оглядових радіолокаційних систем, і в теперішній час широко використовується у всьому світі.

Ціль буде спостерігатися радіолокатором з моменту попадання її в головний промінь антени або з моменту, коли вона починає опромінюватися променем передавальної антени радіолокатора. Оглядовий радіолокатор завжди оцінює кутове положення цілі з похибкою, оскільки його робота заснована на припущенні про те, що в момент отримання радіолокатором відбитого сигналу ціль знаходиться на напрямку осі головної пелюстки діаграми направленості антени. Така похибка має величину, сумірну з шириною основного променю антени.

Наближений метод визначення кутового положення цілі полягає в тому, щоби повернути антену поблизу напрямку на ціль та зафіксувати таке її кутове положення, при якому амплітуда сигналу відлуння стає максимальною. Принцип роботи такого методу показаний на Рисунку 3.

Нажаль, на точність отриманої таким чином оцінки кутового положення будуть впливати похибки, спричинені тепловим шумом, а також похибки, що виникають внаслідок так званого «шуму цілі» (scintillation). «Шум цілі» обумовлений зміненням ефективної площі вторинного випромінення цілі за час, протягом якого радіолокатор опромінює ціль. Це призводить до спотворення обвідної пачки прийнятих сигналів відлуння.

Рисунок 4. Принцип будови моноімпульсної системи
boresight deviation – відхилення від рівносигнального напрямку
Boresight – рівносигнальний напрямок

Рисунок 4. Принцип будови моноімпульсної системи
boresight deviation – відхилення від рівносигнального напрямку
Boresight – рівносигнальний напрямок

Одного відбитого сигналу достатньо!

Моноімпульсний метод дає кращі результати точності вимірювання кутового положення цілі, ніж метод максимуму, принцип якого пояснюється на Рисунку 3. Цей метод може функціонувати при більш низькій частоті повторення імпульсів, що є перевагою вже саме по собі. Моноімпульсні системи зазвичай мають покращену обробку для забезпечення більш якісної кодової інформації про цілі. Для отримання інформації про кутове положення цілі виявляється достатньо одного відбитого від неї імпульсу (звідси й назва методу – моноімпульсний).

Елементи лінійної антенної решітки поділяються на дві половини. Такі дві окремі антенні підрешітки розташовуються симетрично відносно осі антени. Цю вісь часто називають «рівносигнальним напрямком» (англ. «boresight»). В режимі випромінювання (Тх) обидві антенні підрешітки живляться синфазно. Відповідна діаграма направленості називається сумарною або Σ-діаграмою і показана на Рисунку 4 блакитним кольором, а на графіку у верхній частині Рисунку 4 зображена синим коліром.

В режимі приймання (Rx) можливі додаткові у порівнянні із звичайним способи приймання сигналу. По сигналам, прийнятим окремими антенними підрешітками, можливо розрахувати їх суму Σ (за аналогією з формуванням сумарної діаграми в режимі випромінювання) та різницю Δ_Az, в результаті чого формується так звана різницева діаграма направленості по азимуту. Окремі частини такої діаграми направленості показані на рисунку червоним та зеленим кольорами . Обидва сигнали (отриманий в сумарному та отриманий в різницевому каналі) порівнюються і їх різниця використовується для більш точного оцінювання кутового положення цілі.

Кут між віссю антени (рівносигнальним напрямком) і напрямком на ціль ще називають кутом похибки (в англомовній літературі використовується термін Off-Boresight Angle, OBA).

В трикоординатних радіолокаторах в якості третьої координати цілі вимірюється кут місця. Таким чином, згадана вище процедура застосовується двічі. Для цього антена додатково поділяється на дві частини у вертикальному напрямку. Отриманий в результаті різницевий канал Δ_El називають різницевим каналом кута місця.

Теперь моноимпульсная антенна оказывается разделенной на четыре части, называемых квадрантами (Рисунок 5). Принятые этими квадрантами сигналы позволяют сформировать следующие сигналы:

• сумарний – сигнал Σ    ( I + II + III + IV )
• різницевий азимутальний Δ_Az ( I + IV ) – ( II + III )
• різницевий кутомісний Δ_El ( I + II ) – ( III + IV )

Для повноти опису варто згадати допоміжний сигнал Ω, хоча він і не відноситься напряму до моноімпульсного методу. Це сигнал, який отримується по каналу придушення бічних пелюсток. Такий канал завжди має свою невелику антену з широкою діаграмою направленості. Може використовуватися для оцінювання обстановки перешкод.

Для кожного з цих сигналів необхідний свій приймальний канал. Таким чином, в сучасному трикоординатному радіолокаторі є як мінімум чотири паралельних приймальних канали.

Якщо первинні випромінювачі моноімпульсної антени являють собою рупорні антени, то формування каналів приймання та обробка прийнятих сигналів можуть виконуватися за допомогою моноімпульсних комутаторів, побудованих на хвилеводних трійниках.