4 -1 (Электронные лекции для РЛ)

Физические основы получения радиолокационной
информации

1.1. Основные понятия и определения

Радиолокация  наука о методах и средствах получения сведений об объектах за счет приема и анализа радиоволн, отраженных или излу­ченных этими объектами. Получаемые сведения составляют радиолокационную информацию. Объекты, радиолокации называют радиолокационными целями. Среди искусственных объектов выделяют аэродинамические (ле­тательные аппараты), космические, наземные и надводные. Радиолокационные цели могут быть и естественными, например облака (при развед­ке погоды), местные предметы, метеориты. Технические средства для получения радиолокационной информации называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Совокупность радиолокационных станций и вспомогательных технических средств, объединенных для решения какой-либо задачи радиолокации, называют радиолокационной системой.

Сведения о целях получают в процессе наблюдения. В радиолокаци­онном наблюдении можно условно выделить следующие этапы:

- обнаружение целей;

- измерение их координат и параметров движения;

- разрешение целей;

- распознавание и опознавание целей.

Обнаружение осуществляется на основании анализа принимаемых ко­лебаний и состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в просматриваемом элементе пространства.

Измерение заключается в получении оценок координат и параметров движения радиолокационных целей.

Разрешение  раздельное обнаружение и определение положения в пространстве нескольких объектов с мало различающимися координатами и параметрами движения.

Распознавание (классификация)  отнесение объекта к какому-либо из выделенных классов. Разбиение на классы может осуществляться произвольно, например, по назначению: бомбардировщик, истребитель, кры­латая ракета. Особое значение имеет определение принадлежности цели к одному из классов "свой" и "чужой", то есть так называемое опознавание, обычно считающееся отдельной задачей.

Радионавигация  наука о радиотехнических методах и средствах получения информации о положении подвижных объектов в пространстве и вождения этих объектов из одной точки пространства в другую. Объектами радионавигации являются самолеты, вертолеты, корабли, спутники, наземные транспортные и другие движущиеся средства.

Основные задачи навигации:

- определение текущего положения и параметров движения объекта, в частности курса;

- обеспечение его перемещения по заданной траектории и вывода в заданный пункт в назначенное время.

Траекторией называется пространственная кривая, по которой перемещается центр масс объекта в процессе движения. Проекция траектории на земную поверхность называется линией пути (маршрутом). Рассматривают и проекцию траектории летательных аппаратов на вертикальную плоскость - профиль полёта. Точку земной поверхности, над которой находится подвижный объект, называют его местоположением.

Получение информации в навигации производится с помощью разнообразных технических средств. В радионавигации к этим средствам относятся радиолокаторы и другие радиотехнические средства: дальномерные, угломерные, угломерно-дальномерные, разностно-дальномерные системы, бортовые радиолокационные станции, доплеровские измерители путевой скорости.

Самостоятельное (независимо от наземных средств) измерение навигационных параметров с использованием радиоволн осуществляется радионавигационными устройствами. Такие устройства автономны: их примерами могут служить радиовысотомеры, доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса.

Радионавигационной системой называют совокупность находящихся на подвижном объекте и вне его (на земле, в космосе) взаимосвязанных радиотехнических средств, предназначенных для измерения навигационных пapaмeтpов. Особенность радионавигационных систем по сравнению с радиолокационными состоит в получении информации на самих объектах с использованием радиосигналов, излучаемых из точек пространства с известными координатами  радионавигационных точек.

И радиолокация, и радионавигация являются областями радиоэлектроники. Радиолокационные и радионавигационные системы относятся к классу информационных систем. Их объединяет задача извлечения информации из улавливаемых электромагнитных колебаний, общим является и содержание информации  координаты и параметры движения объектов.

Координаты обычно измеряют в полярной, либо в цилиндрической системах. Полярными координатами объекта (цели) являются наклонная дальность r_ц, азимут _ц и угол места объекта _ц (рис.1.1).

Рис 1.1.

Наклонная дальность r_ц  есть расстояние от начальной точки 0 (РЛС) до объекта Ц. Азимутом _ц объекта  называется отсчитываемый по часовой стрелке угол между направлением на север и проекцией на го­ризонтальную плоскость прямой, проходящей через начальную точку и объект. Угол между этой прямой и её проекцией называют углом места цели _ц.

В цилиндрической системе положение объекта определяют следующие координаты: горизонтальная дальность r_г, высота цели Н_ц и азимут це­ли _ц. Горизонтальная дальность r_г  длина проекции отрезка прямой, соединяющей начальную точку и объект, на горизонтальную плоскость. Высота цеди Н_ц  это расстояние от цели до горизонтальной плоскос­ти, проходящей через начальную точку, либо от цеди до поверхности Земли (h_ц).

Координаты объекта пересчитываются из одной системы в другую по формулам:

(1.1)

(1.2)

Таким образом, для определения положения объекта в пространстве достаточно знатъ его наклонную дальность и угловые координаты. Определение дальности называется дальнометрией, а угловых координат - пеленгацией (пеленгованием). Последнее название происходит от голландского слова "pelling" - угол. Параметры движения объекта характеризуют изменение его пространственного положения во времени. Если объект точечный, то параметры движения характеризуют изменение его пространственных координат и описываются, как правило, составляющими вектора скорости объекта V_ц: радиальной V_r, ориентированной от точки отсчета, и ортогональной ей тангенциальной V_tg, направленной по касательной к проходящей через объект окружности с центром в точке отсчета. Могут измеряться составляющие вектора ускорения и другие производные по времени от функции изменений пространственного положения объекта.

Совокупность параметров цели, подлежащих радиолокационному измерению, может быть представлена в виде вектора состояния цели. Дополненный номером цели и некоторыми другими данными, этот вектор приобретает вид так называемого формуляра цели.

1.2. Физические основы радиолокации

Задачу наблюдения и навигации с использованием радиоволн возможно решать благодаря их распространению в однородной среде с постоянной скоростью с (в вакууме с = 3·10⁸ м/с), что позволяет измерять проходимые ими расстояния.

Неоднородности среды распространения радиоволн есть источники отраженного, то есть так называемого вторичного, электромагнитного поля. Существенными неоднородностями среды являются радиолокационные цели для электромагнитного излучения с длиной волны, соизмеримой с размерами объектов или меньшей их, благодаря чему становится возможным обнаружение объектов по отраженным от них сигналам.

Радиоволны с длиной волны менее нескольких метров распространяются по законам, близким к оптическим. Их концентрация, в определенных направлениях с помощью антенн используется для измерения направления на излучающие или отражающие объекты.

Изменение длины траектории распространения радиоволн из-за движения объекта приводит в силу эффекта Доплера к изменению частоты сигнала. По изменению частоты можно оценить радиальную скорость перемещения или выделить сигналы от движущихся целей на фоне мешающих отражений от неподвижных объектов.

Трансформация сигналов при отражении от объектов зависит от физических свойств материалов, конфигурации и параметров движения объектов. Эта зависимость обусловливает возможность распознавания радиолокационных целей. В радионавигации распознавание осуществляется проще, обычно путём передачи индивидуальных кодов распознаваемыми объектами.

Любое физическое тело с температурой выше абсолютного нуля излучает электромагнитные волны, что дает возможность обнаружить его без предварительного облучения. Этот и другие виды собственного излучения цели используются для её пассивного обнаружения.

Cnocoбы получения информации об объектах разделяются на активные и пассивные. В активной радиолокации излучаются зондирующие сигналы, генерируемые радиопередающим устройством РПдУ. При приеме отраженных от цели сигналов и их обработке в радиоприёмном устройстве РПрУ реализуется активная радиолокация с пассивным ответом (рис.1.2). Она является наиболее универсальной, так как пригодна для обнаружения любых отражающих радиоволны целей.

Рис.1.2

Излучение целью ответного сигнала при получении запросного характерно для активной радиолокации с активным ответом (рис.1.3). Использование систем активной локации с активным ответом позволяет обеспечить высокое качество радиолокационного наблюдения при низких энергетических затратах за счет приема прямого, а не отраженного сигнала, а также возможность получения от цели передаваемой ею информации - как об измеряемых параметрах (например, высоте полета), так и дополнительной (о государственной принадлежности и индивидуальном номере цели, запасе топлива и др.).

Рис.1.3

Если приёмное и передающее устройства совмещены, то радиосистема (станция) называется однопозиционной. Ее достоинство заключается в возможности использования одной и той же антенны на передачу и на прием. Разнесенные системы являются многопозиционными. В двухпозиционных системах активной локации приёмное и передающее устройства располагаются на расстоянии d друг от друга. Такие системы могут быть наземными, для которых характерно постоянное расстояние между передающим и приемным пунктами (рис.1.4). При размещении передающего пункта, излучающего зондирующим сигнал (сигнал подсвета), на земле, а приемника отраженного сигнала на самонаводящейся ракете это расстояние является переменным (рис.1.5), и такие системы называют системами полуактивной локации.

Рис.1.4 Рис.1.5

В пассивной радиолокации осуществляется только прием собственного радиоизлучения целей (рис.1.6). Источником этого излучения могут являться радиотехнические устройства связи, навигации, локации, радиопротиводействия, ионизированные области атмосферы в окрестности цели, образуемые при работе ракеты и ядерном взрыве, а также нагретые части цели, обусловливающие излучение в инфракрасном и миллиметровом диапазонах электромагнитных волн. Принимаемые сигналы обрабатываются в пункте обработки (ПО) располагаемом отдельно либо совмещаемом с одним из приемных пунктов.

Рис.1.6

Навигационные системы используют радиолокационные активные и пассивные методы для получения информации о положении объекта в пространстве. Многие радионавигационные устройства являются различного рода радиолокаторами: радиовысотомеры, доплеровские измерители путевой скорости и др.

Помимо радиолокационных используются и другие методы, обусловленные решаемыми навигационной системой задачами. Определение объектом Ц своего положения в пространстве с помощью сети опорных передающих радиостанций, размещенных в точках с известными координатами - радионавигационных точках (РНТ), производится в радиосистемах дальней навигации (рис.1.7). Моменты излучения сигналов опорными радиостанциями синхронизированы со шкалой Всемирного времени UT (universal time), а время их прихода на объект дает информацию об удалении объекта от радионавигационных точек. Дальность действия радиосистем дальней навигации не ограничена дальностью прямой видимости и составляет тысячи километров. В них используется излучение на частотах от 10 до 100 кГц.

П охожими на радиосистемы дальней навигации являются спутниковые радионавигационные системы, работающие в более коротковолновом - дециметровом - диапазоне волн. Они обеспечивают непрерывное и практически мгновенное определение местоположения и скорости объекта -потребителя навигационной информации в подавляющем большинстве районов земного шара с точностью, на порядок превышающей точность систем дальней навигации. В спутниковых радионавигационных системах функции радионавигационных точек выполняют навигационные искусственные спутники Земли.

Рис.1.7

Радиосистемы ближней навигации и посадки используют в качестве радионавигационных точек объединенные в сеть наземные радиомаяки. Эти системы действуют в пределах прямой видимости.