Принципы построения загоризонтных РЛС

ЗГ РЛС являются доплеровскими, т. е. ис­пользуют для выделения полезных сигналов из помех доплеровское смещение частоты сигналов, отраженных движущимися целя­ми. Станции, использующие принцип обратного рассеяния, вследствие значительных трудностей, связанных с обеспечением развязки между мощной передающей и высокочувствительной при­емной системами, в большинстве случаев строят с разнесением на некоторое расстояние передающей и приемной систем (от десятков до одной-двух сотен километров). Рассмотрим принцип по­строения основных составных частей ЗГ РЛС.

Антенно-фидерные устройства. Специфические условия работы ЗГ РЛС, определяют основные требования, предъявляемые к АФУ.

Антенна должна иметь большой коэффициент усиления (20...30 дБ) перекрывать широкий диапазон частот (коэф­фициент перекрытия по частоте РЛС в целом составляет 5..6, обеспечивать быстрое сканирование в широком азиму­тальном секторе. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать излучение сигналов с большой мощностью (средняя мощность —несколько сотен киловатт).

Указанные требования определяют построение АФУ в виде фазированных решеток.

Для излучения сигналов значительной мощности в декаметро­вом диапазоне в зарубежных ЗГ РЛС используется несколько пе­редающих устройств, работающих на элементарные излучатели, образующие передающую антенную решетку. Для обеспечения широкоугольного сканирования луча относительные фазы сигналов передатчиков должны изменяться во времени, для чего исполь­зуется специальная система фазирования, связанная с датчиками, устанавливаемыми на входах элементарных излучателей.

Широкоугольный обзор пространства в азимутальной плоскости в приемных АФУ достигается путем использования специальных диаграммоформирующих схем (ДФС), подключаемых к элемен­тарным излучателям приемной антенной решетки. При этом путем коммутации линий задержки различной длины, входящих в ДФС, можно обеспечивать сканирование луча, либо при введении в ДФС разветвленных схем фазирования формировать многолуче­вую (веерную) ДН. К выходам ДФС подключают приемные устройства.

К ДН, формируемым АФУ в угломестнойплоскости, предъяв­ляют требования максимального прижатия их к горизонту, что определяется условиями распространения сигналов декаметрового диапазона. При использовании антенн горизонтальной поляриза­ции требования прижатия к горизонту луча приводят к необходи­мости создания антенных сооружений значительной высоты. При использовании антенн с вертикальной поляризацией для прижатия луча к горизонту и уменьшения потерь в Земле осуществляют ме­таллизацию предполья антенны. Металлизация представляет со­бой сетчатый (проволочный) экран, уложенный на Земле,или, во избежание дополнительных потерь в снежном покрове, разме­щенный на расстоянии 1,5...2 м над поверхностью Земли.

Основным требованием к излучающим элементам, составляю­щим передающую антенную решетку, является постоянство вход­ного сопротивления излучателя в диапазоне рабочих частот и в заданном секторе сканирования. Обеспечение этого требования с учетом взаимных связей излучателей в решетке представляет со­бой сложную инженерную задачу. В качестве элементарного из­лучателя в антенных решетках декаметрового диапазона часто используются шунтовые широкодиапазонные вибраторы.

В ряде зарубежных РЛС применяются также логопериодические антенны. При этом широко используются различные мо­дификации логопериодических антенн: леерной и самонесущей кон­струкции, горизонтальной и вертикальной поляризации, с симмет­ричным и несимметричным входом.

Передающая система. Она состоит из двух основных частей: комплекса передающей аппаратуры и антенной системы.

Основными требованиями к комплексу передающей аппаратуры ЗГ РЛС, работающих в декаметровом диапазоне, в соответствии со сказанным выше являются: большая ширина перекрываемого диапазона рабочих частот; высокий уровень мощности зондирую­щего сигнала; максимальная чистота спектрального состава при заданных видах модуляции формируемого в передающей аппара­туре зондирующего сигнала.

Если требуется одновременный обзор зоны 1000...4000 км на всю ее глубину, то необходимо, чтобы рабочая частота РЛС могла выбираться приблизительно в пределах ±25% от номинала рабочей частоты.

Сочетание разброса величин МПЧ относительно медианных значений с требованием глубины контролируемой зоны по дально­сти приводит к необходимости иметь полный диапазон частот пе­рестройки станции с коэффициентом перекрытия по частоте, равным 2—3. Для РЛС с большой азимутальной шириной зоны кон­троля может потребоваться диапазон 4...32 МГц.

При распространении радиоволн в направлении объекта, под­лежащего обнаружению, и при обратном распространении сигнала, рассеиваемого объектом в направлении приемной антенны, зату­хание радиоволн достигает весьма больших значений. Чтобы обес­печить достаточный для обработки уровень сигнала на входе при­емной аппаратуры, уровень средней мощности излучаемого сигна­ла должен составлять от сотен киловатт до единиц мегаватт.

Требование излучения сигнала с такой высокой мощностью при­водит к построению передающего комплекса, состоящего из мно­гоканального усилителя и антенной системы в виде ФАР. При использовании такой схемы суммирование сигналов отдельных из­лучателей, соединенных с соответствующими каналами усилителя мощности, происходит в пространстве в дальней зоне относитель­но местоположения антенны. Благодаря этому эквивалентная мощ­ность зондирующего сигнала дополнительно увеличивается пропор­ционально коэффициенту усиления антенны. Необходимость управ­ления направленностью излучения для перекрытия заданного секто­ра обзора по азимуту привела к дополнительному требованию по созданию необходимого фазового распределения сигналов на из­лучателях в раскрыве антенного полотна и по обеспечению быст­родействующего управления фазовым распределением для пере­крытия заданного сектора обзора.

Требование чистоты спектрального состава зондирующего сиг­нала связано с тем, что обнаружение движущегося объекта на фо­не пассивных помех осуществляется благодаря наличию у отра­женного им сигнала доплеровскогосмещения частоты. Присутст­вие в спектре зондирующего сигнала «паразитных» шумовых и дискретных составляющих затрудняет выделение сигнала цели из пассивных помех, уровень которых, как правило, на несколько по­рядков превышает уровень полезного сигнала.

В качестве зондирующих сигналов используют непрерывные и импульсные сигналы, а также сигналы с ЧМ. или с различным ви­дом кодирования. Длительности импульсов ЗГ РЛС находятся в пределах от сотни микросекунд до единиц миллисекунд, частоты повторения — единицы и десятки герц. Для когерентной, обработки принимаемого сигнала и выделения доплеровских со­ставляющих спектра в этих РЛС формируются зондирующие сиг­налы, имеющие высокую точность и стабильность рабочей (несу­щей) частоты.

Передающий комплекс. Комплекс передающей аппаратуры должен состоять из элементов, обеспечивающих выполнение ука­занных выше функциональных задач. В передающем комплексе информация о параметрах модуляции сигнала, о выбранной рабо­чей частоте и о требуемом фазовом распределении сигналов в каналах усиления мощности, поступающая от приемной системы, преобразуется в аппаратуре управления и передается в виде команд на соответствующие исполнительные элементы комплекса. От приемной системы поступают также сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы аппаратуры передающей и приемной си­стем. В исполнительных элементах комплекса производится фор­мирование сигнала с заданной структурой и передача в соответст­вующие каналы усилителя мощности. В аппаратуре каждого кана­ла усиления мощности производятся фазирование и усиление сиг­нала до необходимого уровня и передача его на вход фидерного тракта, соединяющего выход каждого канала с соответствующим излучателем антенного полотна.

В аппаратуре функционального контроля производятся оценка работоспособности элементов комплекса передающей аппаратуры и проверка соответствия параметров зондирующего сигнала задан­ным параметрам.

Система формирования зондирующего сигнала. В одной из воз­можных систем построения аппаратуры формирования сигнала все сигналы формируются из одного и того же основного опорного сиг­нала, получаемого от специального высокостабильного генератора. Требуемая структура зондирующего сигнала формируется на отно­сительно низком уровне мощности.

Канал усиления мощности. Функциональными задачами аппа­ратуры каждого канала усиления мощности являются: задание сигналу необходимой фазы в соответствии с требуемым фазовым распределением в раскрыве ФАР; усиление сигнала до необходи­мого уровня при минимальных искажениях амплитудной и фазо­вой структур.

Каждый канал усиления мощности может быть охвачен цепью обратной связи, обеспечивающей автоматическое регулирование амплитуды и фазы. Система автоматического регулирования пред­назначена для компенсации фазовых и амплитудных флуктуации и обеспечения необходимой чистоты спектрального состава зондиру­ющего сигнала.

Аппаратура управления и синхронизации. Эта аппаратура обе­спечивает связь комплекса передающей аппаратуры с остальной аппаратурой станции и формирует необходимые управляющие сиг­налы в соответствии с установленной программой работы и инфор­мацией, поступающей от вычислительного комплекса. Управляю­щие сигналы формируются с учетом данных о работоспособности элементов комплекса, поступающих в аппаратуру управления от аппаратуры функционального контроля.

Аппаратура формирует также сигналы управления техническим состоянием элементов комплекса.

Аппаратура функционального контроля. Эта аппаратура обес­печивает получение информации о работоспособности элементов комплекса передающей аппаратуры и об основных параметрах излучения.

Приемная система. В одном из возможных вариантов постро­ения приемной системы ЗГ РЛС в ее состав входят:

АФУ; приемные устройства трактов обнаружения, трактов опре­деления оптимального поддиапазона рабочих частот и приемные устройства тракта выбора рабочего канала;

вычислительный комплекс, состоящий из спецвычислителей и универсальных ЭВМ и обеспечивающий решение задач первичной обработки сигналов, обнаружения, определения оптимального под­диапазона и выбора рабочего канала на основе использования ин­формации, поступающей от приемных устройств соответствующих трактов;

аппаратура синхронизации, содержащая высокостабильный ге­нератор сигнала опорной частоты и узел формирования сетки ча­стот, необходимой для синхронизации и управления работой всей аппаратуры приемной позиции;

аппаратура управления работой РЛС и индикации, обеспечи­вающая отображениенеобходимой информации об обнаружива­емыхобъектах и о техническом состоянии всей аппаратуры станции;

аппаратура межпозиционной связи для обмена сигналами син­хронизации и управления, а также информацией о техническом со­стоянии аппаратуры.

В последние годы благодаря значительным достижениям элек­тронной техники стало возможным практическое внедрение техни­ки цифровой обработки сигналов, обладающей рядом важных преимуществ по сравнению с аналоговой. Это позволяет достаточ­но широко вводить адаптивные системы обработки информации, что улучшает основные характеристики РЛС.

Тракт обнаружения. Этот тракт является основным в РЛС и обеспечивает обнаружение объекта, глубоко скрытого за линией горизонта. Структура тракта, алгоритмы обработки и аппаратур­ное построение определяются назначением и характеристиками станции. Однако в любом варианте можно выделить некоторые основные особенности, присущие трактам обнаружения ЗГ РЛС:

работа тракта обнаружения одновременно на нескольких ра­бочих частотах, что обеспечивает уменьшение потерь информации, связанных с довольно резкой в декаметровом диапазоне зависи­мостью затухания электромагнитной энергии в процессе распро­странения от частоты;

одновременный или квазиодновременный обзор зоны ответст­венности несколькими парциальными ДН, что приводит к многоканальности построения тракта обнаружения;

введение в каждый из каналов тракта обнаружения для подав­ления пассивных помех специальной аппаратуры пространственной и спектрально-временной компенсации.

Загоризонтные РЛС работают, как правило, со сложными зон­дирующими сигналами с линейно-частотной (ЛЧМ) или фазоквой модуляцией. Частота повторения при импульсном режиме работы определяется границей зоны ответственности по дальности. Ширина спектра зондирующего сигнала ограничена возможностями декаметрового диапазона, а также необходи­мостью снижения мешающего действия радиосредствам, работа­ющим в соседних каналах, и имеет величину от сотен герц до де­сятков килогерц. В соответствии с такой шириной спектра разре­шающая способность по дальности имеет величину не лучше не­скольких километров.

В ЗГ РЛС обнаружение полезных сигналов ведется на фоне ин­тенсивных резко нестационарных активных и пассивных помех. Для решения задачи обнаружения в таких условиях целесообраз­но применять адаптацию характеристик тракта к помеховой об­становке. В частности, необходимы пространственная адаптация, позволяющая минимизировать влияние радиосигналов, приходя­щих не с главного направления и принимаемых по боковым ле­песткам ДН АФУ, и частотная адаптация, позволяющая путем отслеживания изменения спектральных характеристик пассивной помехи (доплеровского смещения спектральных линии и величины их уширения в процессе распространения) обеспечивать макси­мально возможное ее подавление.

Обычно теоретически оптимальные структуры оказываются чрезвычайно сложными и не могут быть реализованы из-за боль­шого объема требуемой вычислительной аппаратуры. На практике, как правило, применяются квазиоптимальные схемы, в которых обработка разбивается на ряд последовательно выполняемых эта­пов. Это позволяет значительно упростить ее. Однако в результа­те упрощения неизбежно возникают потери в эффективности об­работки и соответственно в возможностях обнаружения целей. По­этому вопрос о разбиении обработки на этапы требует соблюде­ния необходимых предосторожностей и нахождения разумных ком­промиссов. Правильное решение вопроса зависит от условий рабо­ты станции и может быть различным для различных конкретных случаев.

Устройство пространственной обработки. Адаптивное формиро­вание ДН приемной антенны в условиях наличия пространственно сосредоточенных источников помех является одним из важнейших средств увеличения отношения сигнал-помеха в тракте обнаружения. Суть пространственной обработки состоит в весовом сумми­ровании сигналов, синхронно снимаемых, с приемных каналов раз­личных элементов антенной системы. При этом сигнал y_i на вы­ходе устройства пространственной обработки, соответствующий приему с j-го азимутального направления, определяется скаляр­нымпроизведением векторов X и W_j:

где п — номерприемного канала; X — вектор-столбец выборок, снимаемых с выходов приемных каналов в текущий момент време­ни; W — вектор-столбец межканальных весов; T—индекстранспо­нирования.

Вектор весовых коэффициентов Wj_opt, максимизирующих отно­шение сигнал-помеха для сигналов, приходящих с j-го азимуталь­ного направления приема, в случае использования винеровского фильтра определяется соотношением

где r - межканальная ковариационная матрица выборок помехи, снимаемых с выходов приемных каналов в произвольный момент времени; — вектор, комплексно сопряженный с вектором коэф­фициентов усиления ДН приемных каналов в j-м азимутальном направлении приема.

Отметим, что при формировании адаптивной антенной решетки с числом элементов N операция обращения ковариационной ма­трицы R требует примерно N³ арифметических действий. Поэтому для работы вреальном масштабе времени при больших N требуютсявычислительные средства высокой производительности.

Эффективным способом упрощения обработки является пред­варительное разбиение антенны на субрешетки, объединяющие не­которое число L элементов решетки, с неадаптивным формирова­нием ДН на каждой из них. Для формирования адаптив­нойДН в этом случае в качестве элементов антенны используют­ся субрешетки, что приводит к сокращению числа каналов адап­тациии соответственно размерности матрицы R b L раз.

Устройство спектрально-временной обработки. Сигнал, посту­пающий на вход устройства спектрально-временной обработки, представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала, пассив­ной помехи и активной помехи. Характеристики полезного сигнала определяются типом лоцируемого объекта.

При обнаружении сигнала с неизвестными параметрами долж­на производиться многоканальная обработка по частоте и време­ни путем реализации алгоритма для каждого элемента разреше­ния в заданной области.

В случае обнаружения объектов (например, самолетов), у кото­рых отраженный сигнал имеет узкий (существенно уже частоты повторения) спектр флуктуации, практическая реализация устрой­ства обработки значительно упрощается. Вследствие узкополосности сигнала его спектр сосредоточен (при построении узла межпериодной обработки в виде анализатора спектра) в пределах одно­го канала обнаружения. Однако ввиду неизвестности доплеровской частоты полезного сигнала должно быть реализовано несколько каналов, перекрывающих интервал частот от нуля до частоты, рав­ной частоте повторения.

При узкополосном спектре флуктуации полезного сигнала име­ет место проблема так называемых «слепых скоростей», проявля­ющихся при кратности доплеровской частоты сигнала частоте по­вторения. Известны традиционные методы решения этой проблемы, например, путем вобуляции частоты повторения РЛС.

Тракт определения оптимального поддиапазона рабочих частот. Для эффективной работы ЗГ РЛС важно иметь полученные в ре­альном масштабе времени характеристики трассы распростране­ния, а также данные о занятости частотного диапазона. Важно также, чтобы параметры внешней среды оптимальным образом со­гласовались с параметрами РЛС.

Одно из возможных решений задачи согласования параметров РЛС (таких, как рабочая частота) с характеристиками трассы распространения (амплитудно-частотными и дальностно-частотными) заключается во введении в состав РЛС специального тракта определения оптимального поддиапазона рабочих частот. На­значение этого тракта должно заключаться в выборе поддиапазона частот, в котором затухание на трассе распространения минималь­но, с целью оптимизации работы тракта обнаружения полезного сигнала.

Основная информация, которая используется в рассматривае­мом тракте, основывается на зависимостях амплитуд сигналов и величины их задержек от рабочей частоты. Эти зависимо­сти определяются амплитудно-частотными и дальностно-частотными характеристиками. Для получения указанных характеристик в тракте оптимальных рабочих частот должно осуществляться непре­рывное частотное сканирование в широком диапазоне частот. Конструктивно данный тракт может представлять собой самосто­ятельную РЛС, входящую в состав основной РЛС, со своим воз­будителем и отдельными приемными устройствами. Усилители мощности передающего комплекса и передающая и приемные ан­тенны могут быть совмещены с соответствующими устройствами тракта обнаружения. Излучение для рассматриваемого тракта должно осуществляться на частотах, отличных от частот тракта обнаружения, в паузах между посылками импульсов, излучаемых по основному тракту.

Задача оптимизации частоты решается путем анализа ампли­тудно-частотных и далыюстно-частотных характеристик сигналов.

Тракт выбора рабочего канала. Наряду с выбором оптималь­ного поддиапазона рабочих частот необходим контроль за всем этим поддиапазоном для установления его загрузки работой раз­личных радиотехнических средств. Конт­роль занятости выбранного поддиапазона может помочь при выбо­ре точного значения рабочей частоты РЛС и ширины полосы излу­чения, имея в виду выбор канала и режима работы с минималь­ным уровнем помех и с наименьшим воздействием на работу дру­гих радиотехнических средств. Задача тракта выбора рабочего ка­нала заключается в определении конкретных номиналов рабочих частот для тракта обнаружения в пределах области оптимальных рабочих частот. Рабочие каналы выбираются из условий мини­мального уровня помех с учетом полосы частот тракта обнаруже­ния. Аппаратура тракта выбора рабочего канала представляет собой приемное устройство, которое анализирует уровень помех в зависимости от частоты.

Вычислительный комплекс. Этот комплекс должен обладать высокой производительностью и большим объемом оперативной и командной памяти, поскольку в нем осуществляется вторичная об­работка информации, поступающей со всех основных трактов стан­ции, а также решаются задачи контроля их работы, управления и документирования.