Общие требования к бортовым радиолокационным системам
Современные бортовые радиолокационные системы в большинстве своем являются многорежимными радиолокаторами. На Рисунке 1 показана общая классификация режимов функционирования таких систем.
Рисунок 1. Режимы функционирования бортовых радиолокаторов
Рисунок 1. Режимы функционирования бортовых радиолокаторов
Рисунок 1. Режимы функционирования бортовых радиолокаторов (интерактивный рисунок)
Радиолокационные датчики работают в одном линейном измерении (например, измеряют высоту полета над поверхностью земли). В отличие от них радиолокаторы формирования изображения позволяют построить, как минимум, двумерное изображение зондируемой поверхности. К последним относятся:
Антенны радиолокаторов на самолетах обычно устанавливаются в нижней части платформы так, чтобы иметь возможность направлять луч антенны перпендикулярно траектории полета. Такой режим называют боковым обзором, а сами радиолокаторы – радиолокаторами бокового обзора (англ. Side Looking Airborne Radar, SLAR). Система бокового обзора с действительной (реальной) апертурой имеет длинную антенну, обычно выполненную в виде секции стенки цилиндра. Радиолокаторы такого типа формируют луч, в котором излучаются некогерентные импульсы. Длительность этих импульсов совместно с угловыми размерами луча антенны определяют разрешающую способность радиолокатора в азимутальном (по отношению к линии полета) направлении. Мгновенная диаграмма направленности имеет веерную форму и направлена перпендикулярно линии полета.
Системы второго типа, радиолокаторы с синтезированной апертурой, в принципе, могут быть реализованы только на движущихся платформах, таких как самолеты или космические аппараты. Важной характеристикой формируемого такими системами изображения является его разрешение, под которым, в данном случае, понимают минимальное расстояние, при котором могут быть разрешены два близко расположенных рассеивателя одинаковой интенсивности. В радиолокаторе с синтезированной апертурой, как и в обычных радиолокаторах, разрешение по наклонной дальности формируется при использовании метода импульсной дальнометрии. В таком радиолокаторе используется антенна гораздо меньших геометрических размеров, излучающая импульсы в разных положениях, которые принимает движущаяся с ней платформа. За счет совместной обработки эхо-сигналов, полученных в этих положениях, имитируется реальная апертура больших размеров. Таким методом может моделироваться (синтезироваться) апертура с эффективной длиной до 100 метров и более. На азимутальное разрешение такой системы влияет также эффект Допплера (сдвиг несущей частоты эхо-сигнала за счет движения цели и/или платформы, на которой установлен радиолокатор). Когда когерентные импульсы, излучаемые радиолокатором, отражаются от земли в сторону движущейся платформы (самолет или космический аппарат), то возникают эффекты, как если бы цель (рассеиватель на поверхности земли) двигались по отношению к неподвижному радиолокатору. Это приводит к смещению частоты, а значит и фазы и амплитуды в эхо-сигналах. В радиолокаторе эти данные записываются для последующей обработки при помощи цифровых корреляционных методов. Полученные сигналы анализируются и на их основе синтезируются сигналы, эквивалентные сигналам, полученным реальной апертурой с узким лучом.
Для работы в различных режимах в радиолокаторе используются разные значения частоты повторения импульсов (низкие, средние, высокие), а также разные виды зондирующих сигналов.
Рисунок 2. «Сопровождение во время сканирования»: Зона обзора сканируется поочередно двумя веерообразными лучами (вверх-вниз и вправо-влево). Кроме этого, формируется узкий игольчатый луч для сопровождения цели
Рисунок 2. «Сопровождение во время сканирования»: Зона обзора сканируется поочередно двумя веерообразными лучами (вверх-вниз и вправо-влево). Кроме этого, формируется узкий игольчатый луч для сопровождения цели
Обнаружение и сопровождение
Этот режим предназначен для обнаружения и сопровождения точечных целей (например, самолетов). В основном такой режим реализуется в носовых радиолокаторах. Такой радиолокатор должен быть приспособлен для многорежимного функционирования (Рисунок 2). Режим поиска осуществляется быстросканирующими лучами. Кроме этого, внутри цикла сканирования выполняется сопровождение цели в специальном режиме. В режиме обнаружения луч антенны сканирует в пределах заданной зоны обзора. В этом режиме возможен даже временный отказ от измерения одной из угловых координат – азимута или угла места. В таком случае фазированная антенная решетка будет формировать только горизонтальный веерообразный луч, качающийся вверх-вниз, или только вертикальный, сканирующий вправо-влево. В режиме сопровождения формируется очень тонкий луч («карандашного» типа) точно в направлении на выбранную цель. Радиолокатор излучает последовательность импульсов в сторону цели для увеличения вероятности обнаружения (смотри накопление импульсов). Этот режим также называют «сопровождение во время сканирования» (англ. «Track while scan», TWS). В зависимости от вычислительной мощности сигнального процессора радиолокатора одновременно могут сопровождаться до 30 целей в пределах зоны обзора. В отличие от этого, в режиме «сопровождение одной цели» (англ. «Single Target Track», STT) вся излучаемая энергия и вся вычислительная мощность направляются на одну цель. Это обеспечивает увеличение вероятности и дальности обнаружения цели, а также более точную идентификацию цели в сигнальном процессоре радиолокатора.
Вид излучаемых сигналов, а также длительность периода их повторения каждый раз адаптируются в соответствии с энергетическими ограничениями максимальной дальности действия (определяются уравнением дальности радиолокации) и с балансом времени радиолокатора. При этом целью является обзор как можно большего пространства, а также однозначность результатов измерений в соответствии с условиями неопределенности Допплера. Это означает, что частота повторения импульсов может меняться в процессе сопровождения цели. Низкая частота повторения импульсов обеспечивает максимально возможную однозначно измеряемую дальность (режим «Поиск по дальности»), однако тогда не уделяется внимания измерению скорости. Высокая частота повторения импульсов используется для максимально возможного однозначного измерения скорости («Поиск по скорости») с отбрасыванием неоднозначных измерений.
Рисунок 3. Спектр турбинной модуляции эхо-сигнала реактивного двигателя, вращаемого вручную для измерительных целей
Рисунок 3. Спектр турбинной модуляции эхо-сигнала реактивного двигателя, вращаемого вручную для измерительных целей
Обнаружение атаки
Другой важной особенностью радиолокатора при работе по выбранной цели является возможность обнаружения атаки (то есть, выработка решения, соответствует ли принятый эхо-сигнал одной или нескольким целям). Это функция обеспечивается путем облучения цели широкополосными зондирующими сигналами с дальнейшим распознаванием класса цели. Такая функция лучше реализуется в режиме сопровождения одной цели, поскольку увеличенное время облучения дает возможность проводить накопление импульсов, полученных от отдельных рассеивающих объектов.
Таким образом, в случае изменения спектра эхо-сигнала и появлении второго отражающего объекта (или только признаков его появления) можно считать такую ситуацию угрозой пуска ракеты.
Различия между целями с неподвижными и с вращающимися поверхностями выявляются при помощи анализа допплеровского спектра принимаемых эхо-сигналов. Соответствующие особенности спектров определяются количеством турбин, количеством лопаток (лопастей) и скоростью их вращения. Составляющие спектра имеют специфические линии (линии турбинной модуляции), связанные с количнством лопастей турбины и скоростью их вращения. Эти особенности могут быть использованы не только для распознавания классов целей, но и для идентификации типа цели.
В зависимости от угла наклона и соответствующей ему радиальной скорости каждая лопасть в турбине реактивного двигателя вызывает разную допплеровскую частоту. Амплитуда таких составляющих мала из-за небольших размеров таких отражающих элементов. Поэтому такой процесс называют также «микродопплеровским» (m-D) эффектом. В спектре сигнала эти m-D-составляющие проявляются в виде дополнительных небольших линий по обе стороны от линии основной допплеровской частоты, определяемой радиальной скоростью всего объекта. Как уже было сказано, такие линии называются линиями турбинной модуляции (англ. Jet Engine Modulation, JEM).
Обеспечение полета с огибанием рельефа местности
Соответствиующая радиолокационная технология не относится к радиолокаторам построения изображений. Такой радиолокатор еще называют радиолокатором наблюдения за рельефом (англ. Terrain-following radar). Он обеспечивает автоматическое изменение высоты полета при обнаружении неровностей рельефа, вызывающих риск столкновения.
Вопреки кажущейся очевидной идее о необходимости измерения высоты для такой задачи, луч радиолокатора должен быть направлен несколько вперед для того, чтобы обеспечить запас времени на выполнение маневра. Поэтому обычный высотомер для этого не подходит.
Картографирование
В данном случае отражения от поверхности земли используются для получения представления, похожего на топографическую карту. Данный метод может реализовываться как при помощи носовых радиолокаторов, так и при помощи радиолокаторов бокового обзора. Это основной режим, применяемый при дистанционном зондировании Земли. Движущиеся точечные объекты, такие как самолеты, машины, корабли или поезда, выглядят в данном случае как источники пассивных помех, поскольку из-за них возникают дополнительные допплеровские составляющие помимо той, что вызвана движением платформы радиолокатора. Это часто приводит к проблемам с корректным их отображением.