Активный радиолокационный контроль
Радиолокация – область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат и параметров движения, а также определения свойств и характеристик различных объектов (радиолокационных целей), основанные на использовании радиоволн, излучаемых, ретранслируемых, либо отражаемых (рассеиваемых) этими объектами.
Основной принцип радиолокационных систем относительно прост — радиолокационная станция (РЛС) излучает зондирующий электромагнитный сигнал, обнаруживает эхо-сигнал и определяет его характеристики.
Способность обнаружения объектов на больших расстояниях и определения их местоположения и параметров движения с относительно высокой точностью представляют собой основные характерные свойства радиолокационных систем. В интересах радиолокации используется полоса частот от единиц мегагерц до ультрафиолетовой части оптического диапазона.
Основными информационными задачами радиолокации являются:
- обнаружение целей;
- измерение координат целей и других параметров их движения;
- разрешение целей;
- классификация целей.
При активной радиолокации сигнал, принимаемый приемником РЛС, создается в результате отражения (рассеяния) объектом электромагнитных колебаний, излучаемых антенной РЛС и облучающих объект. Сигнал, излучаемый антенной РЛС, называют прямым или зондирующим, а принимаемый приемной антенной РЛС – отраженным или радиолокационным. Таким образом, при активной радиолокации применяют передатчик в составе РЛС и работают с отраженным (рассеянным) сигналом.
Радиолокация основана на использовании явления отражения радиоволн от объектов. Высокая интенсивность отражений от некоторого объекта обеспечивается, если длина волны λи много меньше габаритного размера lоб данного объекта или соизмерима с его размерами.
Для получения большой дальности действия, высокой разрешающей способности по угловым координатам и точности их измерений необходимо использование остронаправленных антенн. Направленное излучение и прием радиоволн достигаются, как известно, только в том случае, когда используемая длина волны много меньше габаритных размеров антенны (λи<< lа).
Для получения высокой разрешающей способности по дальности необходимо применять сигналы с большой шириной спектра.
Для повышения точности измерения малых радиальных скоростей объекта по величине доплеровского смещения частоты необходимо выбирать длину волны как можно меньше.
Физически всякий отражающий (рассеивающий) электромагнитные волны объект, называемый в радиолокации целью, является источником вторичного излучения. Если электропроводность, диэлектрическая или магнитная проницаемость среды резко изменяются, то при электромагнитном облучении поверхности раздела сред часть падающей энергии рассеивается, т. е. поверхность раздела становится источником вторичного излучения.
Удобной характеристикой цели является ее эффективная площадь рассеяния (ЭПР) σц – площадь поперечного сечения такого воображаемого объекта, который рассеивает всю падающую на него мощность в обратном направлении и при этом создает в месте расположения приемной антенны такой же сигнал, как и реальная цель.
Увеличение дальности действия РЛС в два раза достигается четырехкратным увеличением коэффициента усиления антенны.
Сигналы, отраженные земной поверхностью и другими отражателями, попадающими в пределы диаграммы направленности антенны РЛС и называемыми местными предметами, интерферируют с прямыми сигналами (прошедшими по прямой), существенно влияя на дальность действия и другие параметры РЛС.
Увеличение дальности обнаружения низколетящих БПЛА в два раза требует увеличение энергии импульса в 256 раз.
Доплеровские методы селекции движущихся целей (СДЦ) основаны на различии доплеровских смещений частоты выделяемого полезного сигнала цели и пассивных помех, обусловленном отличием радиальных скоростей цели и мешающих отражателей.
Для выделения доплеровского смещения Fv частота принимаемого сигнала сравнивается с частотой излучаемого. Наиболее просто это реализуется в РЛС непрерывного излучения, в которых излучаемый сигнал существует и во время приема отраженных сигналов. Тем не менее, наибольшее практическое применение находят периодические импульсные зондирующие сигналы, которые обеспечивают высокую разрешающую способность и точность измерения дальности. Эффективная селекция движущихся целей осуществляется в импульсных системах как при отсутствии внутриимпульсной модуляции несущей, так и при использовании частотной или фазокодовой модуляции несущей. Однако применение периодических сигналов в системах СДЦ приводит к появлению «слепых скоростей», т. е. таких радиальных скоростей цели, при которых полезный сигнал цели подавляется системой, как и отражение от неподвижных объектов, в результате чего цель не может быть обнаружена. Для устранения слепых скоростей разработаны различные способы и, в частности, вобуляция (изменение) частоты повторения импульсов РЛС или ее работа на двух несущих частотах.
В импульсных РЛС высокочастотные колебания излучаются в течение длительности зондирующего импульса τи, а всю остальную часть периода повторения они отсутствуют. В связи с этим опорные колебания (когерентные с излучаемыми), необходимые для выявления доплеровского приращения частоты принимаемых отраженных импульсов, создаются в системах СДЦ специально. Такие системы называют когерентно-импульсными системами СДЦ с внутренней когерентностью. В системах СДЦ с внешней когерентностью в качестве опорных используют высокочастотные колебания сигналов, отраженных от неподвижных отражателей, расположенных в пределах разрешаемого объема, в котором находится и движущаяся цель. Системы СДЦ с внутренней и внешней когерентностью имеют свои достоинства и недостатки, определяющие и области их применения.
Спектр импульсного сигнала, отраженного неподвижным объектом, совпадает со спектром зондирующего импульса. Спектр импульсного сигнала, отраженного от движущегося объекта, сжимается при удалении объекта или растягивается при его приближении.
Для выделения сигналов движущейся цели используется определение смещения центральной частоты, а точнее, изменение фазы высокочастотного заполнения импульсов за период повторения, так как из-за малости абсолютного изменения частоты повторения или длительности импульсов выявить их трудно.
Дальность действия РЛС в режиме СДЦ снижается за счет того, что чувствительность приемных устройств оказывается несколько ниже из-за дополнительных потерь сигналов вследствие амплитудного ограничения их на промежуточной частоте и неоптимальной обработки в вычитающих устройствах. При переходе станции в режим СДЦ дополнительные потери приводят к снижению дальности действия на 10 – 20 %.
Расчетные дальности обнаружения малоразмерных БПЛА РЛС при различных значениях ЭПР БПЛА составляют:
РЛС метрового диапазона:
- 8…14 км для БПЛА (ЭПР = 0,1 м2),
- 0,1…1,5 км для БПЛА (ЭПР = 0,01 м2);
РЛС дециметрового диапазона:
- 9…16 км (ЭПР = 0,1 м2),
- 0,8…2,0 км (ЭПР = 0,01 м2);
РЛС сантиметрового диапазона:
- 12…25 км (ЭПР = 0,1 м2),
- 1,4…2,8 км (ЭПР = 0,01 м2).
Значительно прозаичнее обстоит дело с фактическими дальностями обнаружения малоразмерных БПЛА. Если расчетные и полигонные дальности обнаружения типовых РЛС БПЛА с ЭПР = 0,1 м2 практически совпадают, то для БПЛА с ЭПР = 0,01 м2 фактические дальности обнаружения приближаются к нулевым значениям. Вывод очевиден: традиционные методы радиолокации не в состоянии обеспечить надежное своевременное обнаружение малоразмерных БПЛА с чрезвычайно малыми значениями ЭПР.
Кроме того, в условиях помех (например, на урбанизированных территориях), окажется, что даже эти невысокие возможности значительно уменьшатся.
Таким образом, имеющиеся сегодня традиционные РЛС практически неспособны проводить эффективное обнаружение малоразмерных малоскоростных воздушных целей типа БПЛА даже в беспомеховой обстановке. Разрабатываемые перспективные РЛС, основанные на технологии синтезирования апертуры антенны, предназначенные для решения этой задачи, способны обнаруживать цели подобного класса на дальностях, не превышающих 3…8 км на высотах их полета 100…300 м и 10…20 км на высотах до 1000 м.
В данной статье мы рассмотрели радиолокационные системы для обнаружения беспилотных летательных аппаратов. Остальные способы и методы контроля воздушного пространства раскрыты в следующих статьях:
Способы обнаружения беспилотных летательных аппаратов. Часть 1
Радиотехнический контроль и обнаружение беспилотников. Обнаружение часть 2
Пассивный радиолокационный контроль. Обнаружение часть 4
Оптический контроль. Обнаружение БПЛА часть 5
Акустический контроль. Обнаружение БПЛА часть 6