eng
Содержание
Содержание (книга 1)
О главном редакторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Авторы книги. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Предисловие редактора перевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Глава 1. Введение и краткий обзор принципов радиолокации . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.
Кратко о радиолокации и радиолокаторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.
Типы радиолокаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.
Информация, извлекаемая с помощью радиолокаторов . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.
Уравнение дальности действия радиолокатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.
Диапазоны рабочих частот и их буквенные обозначения . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6.
Влияние рабочей частоты радиолокатора на его характеристики . . . . . . . . 27
1.7.
Номенклатура радиолокаторов США. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8.
Основные достижения радиолокации в ХХ веке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.9.
Применения радиолокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.10.
Концептуальный подход к проектированию радиолокаторов . . . . . . . . . . . 36
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Глава 2. Радиолокационные системы СДЦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.
Введение в радиолокацию движущихся целей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.
Реакция фильтров подавления помех на сигналы движущихся целей. . . . . 47
2.4.
Характеристики пассивных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.
Термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.6.
Расчеты коэффициента улучшения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.
Оптимальное проектирование фильтров подавления помех . . . . . . . . . . . . 63
2.8.
Проектирование фильтров для систем СДЦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.9.
Проектирование фильтров для систем СДЦ метео-РЛС. . . . . . . . . . . . . . . 85
2.10.
Проектирование наборов доплеровских фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.11.
Ухудшения характеристик, связанные с ограничениями
в приемнике РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.12.
Требования к стабильности параметров РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.13.
Динамический диапазон и требования
к аналого-цифровому преобразованию. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.14.
Адаптивные системы СДЦ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.15.
Радиолокационные карты помеховой обстановки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.16.
Управление скоростной чувствительностью (УСЧ). . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2.17.
Факторы, влияющие на показатели эффективности РЛС СДЦ. . . . . . . . . 131
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Глава 3. Радиолокационные системы СДЦ воздушного базирования . . . . . . . . . . 143
3.1.
Системы, в которых используются технологии СДЦ
воздушного базирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2.
Размышления о зонах покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.3.
Факторы, определяющие эксплуатационные качества
бортовой РЛС с СДЦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.4.
Воздействие движения платформы и ее высоты
на работоспособность РЛС с СДЦ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.5.
Компенсация движения платформы на пересекающихся курсах . . . . . . . . 152
3.6.
Компенсация движения при сканировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.7.
Одновременная компенсация движения платформы и сканирования . . . . 158
3.8.
Компенсация движения платформы, направление вперед . . . . . . . . . . . . 162
3.9.
Компенсация движения за счет пространственно-временной адаптации. . 164
3.10.
Воздействие нескольких спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.11.
Пример системы СДЦ в РЛС воздушного базирования . . . . . . . . . . . . . . 173
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Глава 4. Импульсно доплеровская радиолокационная станция . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.1.
Характеристики и применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.2.
Пассивные помехи импульсно-доплеровским РЛС. . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.3.
Требования к динамическому диапазону и стабильности . . . . . . . . . . . . . 199
4.4.
Раскрытие неоднозначности по дальности и по доплеровской частоте . . . 207
4.5.
Проектирование режима и сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.6.
Анализ уравнения дальности РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Глава 5. Многофункциональные РЛС для истребителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.2.
Типичные боевые задачи и режимы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.3.
Описание режимов и сигналов при решении задач «воздух — воздух» . . . 247
5.4.
Описание режима «воздух — земля» и сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Глава 6. Радиолокационные приемники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6.1.
Структурная схема радиолокационного приемника . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6.2.
Соображения, касающиеся шума и динамического диапазона . . . . . . . . . 285
6.3.
Соображения, касающиеся ширины полосы частот . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.4.
ВЧ-тракт приемника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.5.
Гетеродины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
6.6.
Регулировка усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.7.
Фильтрация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.8.
Ограничители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.9.
Синфазно-квадратурные демодуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
6.10.
Аналого-цифровые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.11.
Цифровые приемники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.12.
Дуплексный режим работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
6.13.
Формирование сигнала и повышающее преобразование частоты . . . . . . . 332
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Глава 7. Автоматическое обнаружение, сопровождение целей
и объединение информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
7.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
7.2.
Автоматическое обнаружение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
7.3.
Автоматическое сопровождение целей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
7.4.
Система РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
7.5.
Объединение неоднородных датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
4
Содержание
Глава 8. РЛС со сжатием импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
8.2.
Типы сложных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
8.3.
Факторы, влияющие на выбор систем сжатия импульсов . . . . . . . . . . . . . 419
8.4.
Реализация систем сжатия импульсов и примеры РЛС . . . . . . . . . . . . . . 420
Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Глава 9. РЛС сопровождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
9.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
9.2.
Моноимпульсные РЛС (одновременное формирование
равносигнального направления). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.3.
Сканирование и пеленгация с использованием
равносигнального метода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
9.4.
Следящие системы РЛС сопровождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
9.5.
Обнаружение и захват цели, сопровождение по дальности. . . . . . . . . . . . 459
9.6.
Специальные моноимпульсные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
9.7.
Источники ошибки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
9.8.
Ошибки, вызванные целью (шум цели) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
9.9.
Другие внешние причины ошибки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
9.10.
Внутренние источники ошибки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
9.11.
Общие сведения об источниках ошибок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
9.12.
Технологии уменьшения ошибок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Глава 10. Радиолокационный передатчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
10.2.
Усилители с линейным пучком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
10.3.
Магнетрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.4.
Усилитель со скрещенными полями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.5.
Гиротроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
10.6.
Контроль спектра передатчика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
10.7.
Лампы с сеточным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
10.8.
Модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
10.9.
Какой источник СВЧ-мощности использовать? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Глава 11. Твердотельные передатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
11.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
11.2.
Преимущества твердотельных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
11.3.
Твердотельные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
11.4.
Проектирование полупроводниковых
корпусированных передатчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
11.5.
Проектирование твердотельных передатчиков
для фазированных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
11.6.
Примеры твердотельных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
Глава 12. Зеркальные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
12.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
12.2.
Основные принципы проектирования и параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Содержание 5
12.3.
Архитектуры зеркальных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
12.4.
Облучатели зеркальных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
12.5.
Анализ параметров и характеристик зеркальной антенны . . . . . . . . . . . . 586
12.6.
Механические соображения при проектировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
Глава 13. Фазированные антенные решетки РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
13.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
13.2.
Теоретические основы работы фазированных антенных решеток . . . . . . 608
13.3.
Плоские решетки и управление лучом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
13.4.
Согласование и взаимные связи в фазированных антенных решетках. . . 617
13.5.
Фазированные антенные решетки с низким уровнем
боковых лепестков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
13.6.
Влияние ошибок квантования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
13.7.
Широкополосность фазированных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . 635
13.8.
Системы питания (формирователи луча) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
13.9.
Фазовращатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
13.10.
Твердотельные модули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
13.11.
Формирование многолучевой диаграммы направленности
в режиме приема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
13.12.
Цифровое формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
13.13.
Формирование нуля диаграммы направленности на излучение. . . . . . . . 655
13.14.
Калибровка возбужденных фазированных антенных решеток . . . . . . . . . 657
13.15.
Примеры фазированных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
Содержание (книга 2)
Глава 14. Эффективная площадь рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
14.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
14.2.
Понятие мощности отраженного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
14.3.
Методы предсказания ЭПР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
14.4.
Методы измерения ЭПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
14.5.
Подавление вторичного радиолокационного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
Глава 15. Отражение сигналов от морской поверхности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
15.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
15.2.
Характеристики поверхности моря . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
15.3.
Эмпирическое описание поведения помеховых отражений от морской
поверхности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
15.4.
Теории и модели помеховых отражений от морской поверхности . . . . . . . . . . 748
15.5.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759
Глава 16. Отражение сигналов от земной поверхности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765
16.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765
16.2.
Параметры, влияющие на отражение от земной поверхности . . . . . . . . . . . . . 768
16.3.
Теоретические модели земной поверхности и их ограничения . . . . . . . . . . . . 771
16.4.
Фединг сигналов, отраженных от земной поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776
16.5.
Методы измерений отражений от земной поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783
16.6.
Общие модели для измерений коэффициента рассеяния
(клаттерные модели, или модели помеховых отражений) . . . . . . . . . . . . . . . . 792
16.7.
Данные измерений коэффициента рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799
16.8.
Поляриметрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812
16.9.
Значения коэффициента рассеяния при углах облучения,
близких к скольжению. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815
16.10.
Интерпретация изображений, полученных с помощью РЛС . . . . . . . . . . . . . 817
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
Глава 17. Радиолокационные системы с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . 828
17.1.
Основные принципы работы радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 828
17.2.
История возникновения радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829
17.3.
Типы радиолокационных систем с синтезированной апертурой . . . . . . . . . . . 830
17.4.
Разрешающая способность радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833
17.5.
Ключевые аспекты радиолокационных систем с синтезированной апертурой 837
17.6.
Качество изображений радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
17.7.
Основные соотношения теории радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849
17.8.
Специальные приложения радиолокационных систем
с синтезированной апертурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862
Глава 18. Космические радиолокационные системы дистанционного зондирования . . . 865
18.1.
Обзор основных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865
18.2.
Радиолокационные системы с синтезированной апертурой (РСА) . . . . . . . . . . 870
18.3.
Высотомеры (альтиметры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897
18.4.
Планетарные радиолокационные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911
18.5.
Скаттерометры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922
18.6.
Радиолокационные зонды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933
Глава 19. Метеорологические РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941
19.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941
19.2.
Уравнение радиолокации для метеорологических целей . . . . . . . . . . . . . . . . . 943
19.3.
Соображения по проектированию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
19.4.
Обработка сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960
19.5.
Оперативные приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966
19.6.
Исследовательские задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983
Глава 20. Загоризонтная высокочастотная РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992
20.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992
20.2.
Уравнение радиолокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996
20.3.
Факторы, влияющие на конструкцию загоризонтной ионосферной РЛС. . . . . 998
20.4.
Ионосфера и распространение радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006
20.5.
Формы импульсов ВЧ РЛС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015
20.6.
Передающая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016
20.7.
Эффективная площадь отражения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1020
20.8.
Шум: отражения от окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023
20.9.
Шум, помехи и занятость частотного спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034
20.10.
Приемная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1039
20.11.
Обработка сигнала и отслеживание цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043
20.12.
Управление ресурсами РЛС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049
20.13.
Моделирование характеристик РЛС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1050
Приложение: ВЧ РЛС с земной радиоволной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071
Глава 21. Подповерхностные радиолокаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079
21.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079
21.2.
Физика распространения радиоволн в материалах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084
21.3.
Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091
21.4.
Свойства материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095
21.5.
ППР-системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097
21.6.
Методы модуляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098
21.7.
Антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102
21.8.
Обработка сигналов и изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1107
21.9.
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111
21.10.
Лицензирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116
Глава 22. Корабельные РЛС гражданских судов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118
22.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118
22.2.
Проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1120
22.3.
Международные стандарты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125
22.4.
Технология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128
22.5.
Сопровождение цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135
22.6.
Интерфейс пользователя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138
22.7.
Объединение с AИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141
22.8.
Радиолокационные маяки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144
22.9.
Проверка пригодности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147
22.10.
Службы сопровождения кораблей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1148
Приложение: История возникновения CMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1151
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1152
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153
Глава 23. Двухпозиционные радиолокационные станции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155
23.1.
Концепция и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155
23.2.
Системы координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1157
23.3.
Уравнение двухпозиционной радиолокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1158
23.4.
Области применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1163
23.5.
Двухпозиционное определение доплеровской частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170
23.6.
Определение положения цели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172
23.7.
Эффективная площадь отражения цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174
23.8.
Помехи, вызванные отражением от поверхности Земли . . . . . . . . . . . . . . . . 1177
23.9.
Особые проблемы и требования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187
Глава 24. Методы защиты от радиоэлектронных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193
24.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193
24.2.
Термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194
24.3.
Радиоэлектронная разведка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195
24.4.
Радиоэлектронное подавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197
24.5.
Назначение и систематизация методов защиты от помех. . . . . . . . . . . . . . . . 1202
24.6.
Методы защиты от радиоэлектронных помех, реализуемые в антенне . . . . . . 1204
24.7.
Методы защиты от радиоэлектронных помех, реализуемые в передатчике . . . 1227
24.8.
Методы защиты от радиоэлектронных помех, реализуемые в приемниках . . . 1229
24.9.
Методы защиты от радиоэлектронных помех, реализуемые в схемах
обработки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1231
24.10.
Способы боевого применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234
24.11.
Использование методов защиты от помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235
24.12.
Эффективность методов защиты от помех и систем
радиоэлектронного подавления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257
Глава 25. Цифровая обработка радиолокационных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266
25.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266
25.2.
Обработка сигналов в приемном тракте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1267
25.3.
Преобразование сигналов в передающем тракте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285
25.4.
Средства цифровой обработки сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1287
25.5.
Вопросы проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1299
25.6.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303
Глава 26. Коэффициент распространения F в уравнении радиолокации . . . . . . . . . . . 1305
26.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305
26.2.
Атмосфера Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306
26.3.
Преломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1307
26.4.
Стандартное распространение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308
26.5.
Аномальное распространение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1309
26.6.
Моделирование процессов распространения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316
26.7.
Программы оценки электромагнитных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321
26.8.
Модель оценки РЛС в системе AREPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325
26.9.
Способы представления данных на дисплее AREPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1327
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1330
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332
(Книга 1)
О ГЛАВНОМ РЕДАКТОРЕ
Меррилл Сколник работал руководителем радиолокационного отдела в научно-ис-
следовательской лаборатории ВМС США более 30 лет. Перед этим он занимался
радиолокационной тематикой в Линкольновской лаборатории Массачусетского
технологического института, в Институте оборонных исследований и в исследова-
тельском отделе компании Electronic Communications (США). Он является авто-
ром популярного руководства Introduction to Radar Systems, опубликованного изда-
тельством McGraw-Hill тремя изданиями (русский перевод первого издания —
«Введение в технику радиолокационных систем», издательство «Мир», 1965), редак-
тором книги Radar Applications издательства IEEE Press и бывшим редактором жур-
нала Proceedings of the IEEE (русское издание — «Труды Института инженеров по
электротехнике и радиоэлектронике»). М. Сколнику присвоена докторская степень
в области инженерных наук в университете имени Джона Хопкинса, где он ранее
получил квалификации бакалавра и магистра по электротехнике. Он является
членом американской Национальной академии инженерных наук, действитель-
ным членом (Fellow) IEEE и первым лауреатом почетной медали Д.Дж. Пикарда
за достижения в области радиолокации, учрежденной IEEE.
АВТОРЫ КНИГИ
Джеймс Дж. Олтер, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 25)
Стюарт Дж. Андерсон, Австралийская организация оборонной науки и техники
(глава 20)
У.Г. Бат, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 7)
Майкл Т. Борковский, Raytheon Company (глава 11)
Джефри О. Коулман, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 25)
Майкл Э. Кули, Electronic Systems Northrop Grumman Corporation (глава 12)
Дэвид Дэниелс, компания ERA Technologies (глава 21)
Даниэль Дэвис, Electronic Systems Northrop Grumman Corporation (глава 12)
Джеймс К. Дей, корпорация Lockheed Martin (глава 3)
Майкл Р. Дьюков, Lockheed Martin MS 2 (глава 8)
Альфонсо Фарина, анализ интегральных систем, SELEX Sistemi Integrati (глава 24)
Уильям Г. Федарко, Northrop Grumman Corporation (глава 4)
Джо Фрэнк, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 13)
Вилхелм Греджерс Хансен, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 2)
Джеймс М Хэдрик, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 20)
Дин Д. Ховард, консультант ITT Industries, Inc. (глава 9)
Р.Дж. Килер, Национальный центр атмосферных исследований (глава 19)
Юджин Ф. Нотт, компания Tomorrow's Research, США(глава 14)
Карло Копп, Monash University (глава 5)
Дэвид Линч младший, DL Sciences, Inc. (глава 5)
Ричард К Мур, Канзасский университет (глава 16)
Энди Норрис, компания Navigation Systems (глава 22)
Уэйн Л. Паттерсон, Центр космических и морских боевых систем,
отдел распространения излучения в атмосфере (глава 26)
Р. Кейт Рени, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 18)
Джон Д. Ричардс, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкина
(глава 13)
Р.Дж. Серафин, Национальный центр атмосферных исследований (глава 19)
Уильям В. Шрэдер, Shrader Associates, Inc. (глава 2)
Меррилл Сколник (главы 1 и 10)
Фред М. Штаудаер, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 3)
Джон П. Стролка, Northrop Grumman Corporation (глава 4)
Роджер Салливан, Institute for Defense Analyses, США(глава 17)
Байрон У. Тайтджен, Lockheed Martin MS 2 (глава 8)
Г.В. Транк, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 7)
Томас А. Вейл (глава 10)
Льюис Б. Ветцель, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 15)
Николас Дж. Уиллис, корпорация Technology Service (глава 23)
Майкл Э. Йоманс, Raytheon Company (глава 6)
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Уважаемые читатели!
Вашему вниманию предлагается новое издание «Справочника по радиолокации»,
подготовленное группой американских ученых и инженеров-практиков под общей
редакцией широко известного ученого в области радиолокации Меррилла Скол-
ника.
ОАО «Концерн «Вега» взял на себя нелегкий труд по организации издания
русской версии данного справочника, который увидел свет благодаря продолжи-
тельному и плодотворному труду большого коллектива сотрудников издательства
«ТЕХНОСФЕРА», переводчиков и редакторов, в роли которых выступили глав-
ным образом ученые концерна.
Решение о переводе на русский язык «Справочника по радиолокации» в кон-
церне возникло ввиду следующих причин.
Во-первых, концерн «Вега» является головным предприятием в Российской Фе-
дерации по ряду приоритетных направлений создания сложных технических систем
специального и гражданского назначения, а радиолокация, безусловно, является од-
ной из центральных областей научных интересов и знаний предприятия в решении
данных задач. Руководство концерна заинтересовано, чтобы его сотрудники, и осо-
бенно, молодое поколение при выполнении стоящих перед ними задач могли опи-
раться на знания в данной предметной области, полученные не только отечествен-
ными учеными и разработчиками, но и их иностранными коллегами.
Во-вторых, в последнее время снизился информационный поток переводной
литературы, посвященной радиотехнической тематике, в том числе и радиолока-
ционной, поэтому хотелось несколько расширить объем научных знаний, поступа-
ющих от известных иностранных специалистов в области радиолокации.
В-третьих, предыдущее издание «Справочника по радиолокации» под редакцией
М. Сколника получило широкую известность у российских инженеров и ученых, за-
нимающихся вопросами разработки радиолокационных систем. Его по праву можно
отнести к одной из лучших книг по радиолокации XX века. Он был настольной кни-
гой у нескольких поколений радиоинженеров, в том числе и у участников издания
данной русской версии. Однако с момента выхода предыдущего издания прошло
уже более 20 лет, а теория и практика радиолокации шагнули далеко вперед.
В-четвертых, в 2014 году исполняется 10 лет концерну и 70 лет его головному
предприятию (ЦКБ-17, НИИ-17, МНИИП). Приближаясь к этим знаменатель-
ным датам, ученые и инженеры концерна хотели бы преподнести в подарок ра-
диотехническому научному сообществу новую версию «Справочника по радиоло-
кации». Выпуск этой книги станет нашим вкладом в популяризацию технических
знаний и будет способствовать привлечению в интересную и перспективную науч-
ную область радиотехники более широкого круга молодых научных работников и
инженеров. В справочнике в сжатой форме изложены основные методы и подхо-
ды, существующие в радиолокации, особенности построения и возможности ра-
диолокационных систем различного назначения, а также отражены тенденции
развития радиолокационных систем.
Произошедшие изменения в теории и технике радиолокации за более чем
20-летний период нашли свое отражение в справочнике в виде новых глав (по
отношению к предыдущему изданию) и в корректировке содержательной части
материала ранее существующих глав.
В то же время развитие радиолокации, как и любой области науки и техники,
не происходит изолированно благодаря усилиям какой-либо одной группы ученых и
инженеров-разработчиков. Достаточно быстро и интенсивно данная область радио-
техники развивалась и продолжает развиваться в нашей стране. Причем отцом
радиолокации с полным основанием можно считать нашего соотечественника —
русского физика, электротехника, изобретателя радио Попова Александра Степа-
новича, который летом 1897 года открыл эффект отражения радиоволн, проводя в
Финском заливе практический опыт по организации электросвязи без проводов
между двумя кораблями. Его открытие послужило толчком к возникновению радио-
локации и превращению ее в одну из динамично развивающихся областей науки и
техники. Благодаря усилиям отечественных ученых-практиков, таких как действи-
тельные члены АН СССР А.И. Берг, А.Ф. Богомолов, Б.В. Бункин, Ю.Б. Кобзарев,
В.А. Котельников, А.А. Расплетин, члены-корреспонденты АН СССР В.В. Тихоми-
ров, А.А. Пистолькорс, действительные члены РАН Ю.В. Гуляев, И.Б. Федоров,
члены-корреспонденты РАН Л.Д. Бахрах, А.П. Реутов, М.С. Рязанский и др., в на-
шей стране сегодня существует богатая информационная база по теоретическим
основам, характеристикам объектов радиолокационного наблюдения, принципам
построения, режимам работы радиолокационных систем, вопросам обработки
радиолокационных сигналов, особенностям конструирования элементов данных си-
стем. Данные аспекты радиолокационной теории и практики продолжают разви-
ваться и сегодня, опираясь на новые знания и возможности информационных тех-
нологий, развитие элементной базы собственно РЛС и систем обработки сигналов,
принципов построения антенной техники и ее элементной базы. Как правило, дан-
ные знания оформляются в виде книг, монографий, статей, учебников и учебных
пособий, а также в электронной форме и представляют большой интерес для специ-
алистов, научных работников, молодых сотрудников и будущих исследователей,
интересующихся областью радиолокации. В то же время данная совокупность зна-
ний интересна инженерам-разработчикам радиолокационных систем, поскольку
они могут использовать эти знания при разработке и конструировании современных
и перспективных систем. Для ученых и инженеров-разработчиков, работающих в
области радиолокации, интересны и знания, которые формируются в сжатом, скон-
центрированном виде как единый информационный источник — в форме справоч-
ника. Наиболее популярными в данном научно-техническом сообществе среди со-
ветских и российских изданий были и остаются «Справочник по радиоэлектронике»
под редакцией А.А. Куликовского (М., «Энергия», 1969), справочная серия по ра-
диоэлектронике под общей редакцией А.А. Куликовского в 7 томах (М., «Энергия»,
1977—1979) и справочник «Радиоэлектронные системы. Основы построения и тео-
рия» под редакцией Я.Д. Ширмана (М., «Радиотехника», 2007).
Необходимо заметить, что несмотря на популярность справочника, подготов-
ленного группой специалистов американской школы радиолокации, он, тем не
менее, является одним из тех источников, которыми пользуются инженеры, разра-
ботчики и ученые, работающие в предметной области радиолокации. В этой связи
не менее популярны издания по радиолокационной тематике советской и россий-
ской школы радиолокации, авторами которых являются П.А. Бакут, П.А. Бакулев,
Р.П. Григорин-Рябов, В.Е. Дулевич, П.И. Дудник, Ю.Б. Кобзарев, Г.С. Кондра-
тенков, С.З. Кузьмин, М.В. Максимов., В.Н. Манжос, А.П. Реутов, В.А. Сарычев,
Ю.Г. Сосулин, К.Н. Трофимов, И.Б. Федоров, М.И. Финкельштейн, Я.Д. Ширман.
Перевод на русский язык Справочника выполнили: к.т.н. А.В. Бруханский
(гл. 1, 2), Ю.Л. Цвирко (гл. 3—9), Е.Б. Махиянова (гл. 10—18), А.И. Демьяников
(гл. 19—26) при активном участии д.т.н. С.М. Смольского, а его научное редак-
тирование провели д.т.н., профессор В.С. Верба (гл.1, 8), д.т.н., профессор
А.Р. Ильчук (гл. 3, 4, 26), д.т.н. К.Ю. Гаврилов (гл. 11—13, 15, 16, 18, 20—23),
к.т.н., доцент Д.Д. Дмитриев (гл. 7), д.т.н., профессор Б.Г. Татарский (гл. 2, 5, 6,
9, 10, 14, 17, 19), к.т.н., с.н.с. А.Г. Тетеруков (гл. 24), к.т.н. А.А. Филатов (гл. 25).
Общая научная редакция справочника выполнена д.т.н., профессором В.С. Вербой.
Выражаю всем членам творческого коллектива искреннюю благодарность за
проделанную важную работу и надеюсь, что данный справочник займет достойное
место на столе у инженеров, разработчиков и ученых, занимающихся проектиро-
ванием, исследованием и созданием радиолокационных систем.
Научный редактор справочника,
генеральный директор — генеральный конструктор
ОАО «Концерн «Вега»,
доктор технических наук, профессор В.С. Верба
ПРЕДИСЛОВИЕ
Радиолокатор — яркий пример сложной радиоэлектронной системы. В универси-
тетских программах электротехнических специальностей обычно делается акцент на
основные инструменты инженера, такие как схемотехника, теория сигналов, физи-
ка твердого тела, цифровая обработка, электронные приборы, электромагнитное
поле, автоматическое регулирование, микроволновая техника и т.д. Но в реальном
мире электротехники и электроники эти инструменты — только отдельные части и
подсистемы более крупной системы, которая создается для получения полезной ин-
формации. В дополнение к радиолокационным системам и другим системам извле-
чения информации (сенсорам) радиоэлектронные системы включают системы ком-
муникации, управления, энергетические системы, системы обработки информации,
промышленную электронику, военную технику, радионавигацию, потребительскую
электронику, медицинское оборудование и др. Они-то и составляют сферу совре-
менной электроники. Без них потребность в инженерах соответствующего профиля
была бы очень ограничена. Однако практический инженер, занятый в разработке
и производстве электронных систем нового типа, зачастую оказывается зависимым
от знаний, которые не входили в программу его или ее технической подготовки.
Инженер-локационщик, например, должен глубоко понимать работу крупных узлов
РЛС и ее подсистем, а также знать, как они взаимодействуют друг с другом. Настоя-
щее издание «Справочника по радиолокации» должно помочь в решении этой задачи.
Кроме разработчиков радиолокационных систем справочник будет полезен тем, кто
отвечает за развертывание новых радиолокационных систем, инженерам, занятым в
эксплуатации РЛС, руководителям инженерных подразделений.
Третье издание «Справочника по радиолокации» — свидетельство тому, что ра-
диолокационная техника как для гражданского использования, так и для военных
целей продолжает развиваться в направлении расширения области применения и
в совершенствовании технологии. Перечислим некоторые из многих достижений
радиолокации, появившиеся начиная с момента выхода предыдущего издания
справочника:
— широкое применение цифровых методов для эффективной обработки сигналов
и радиолокационных данных, принятия решений, гибкого автоматизированного
управления РЛС и расширения ее многофункциональности;
— доплеровские метеорологические РЛС;
— бортовые системы c селекцией наземных движущихся целей (СНДЦ, GMTI —
Ground Moving Target Indicator Radar);
— обширная экспериментальная база данных, относящаяся к оценкам отражений
от поверхности при малых углах падения сигнала, полученная Линкольновской
лабораторией МТИ. Эти данные пришли на смену модели отражений, восходя-
щей ко времени Второй мировой войны;
— подтверждение того, что микроволновому сигналу, отраженному от морской
поверхности, при скользящем падении присущи эффекты, называемые «мор-
скими шипами»;
— активные радиолокационные электронно-сканирующие антенные решетки
(АФАР, AESA — Аctive Electronically Scanned Arrays), использующие твердо-
тельные модули, также называемые активными решетками с электронным ска-
нированием, привлекательные возможностью управления мощностью излуче-
ния в окружающем пространстве и легкостью сканирования;
— исследование планет с помощью радиолокации;
— компьютерные методы моделирования и расчета рабочих характеристик РЛС с
учетом реальных условий распространения сигнала в окружающей среде;
— практическое использование загоризонтных РЛС декаметрового диапазона;
— усовершенствованные методы СДЦ, включающие адаптивную пространственно-
временную обработку;
— практическое использование РЛС с инверсной синтезированной апертурой для
распознавания целей;
— интерферометрические РЛС с синтезированной апертурой (ИнРСА, InSAR —
Interferometric Synthetic Aperture Radar), используемые для оценки высоты на-
земных отражателей, для выделения движущихся наземных целей и получения
трехмерных радиолокационных изображений поверхности;
— достижение высокой точности радиолокационных высотомеров космического ба-
зирования, позволяющих оценить форму геоида Земли с точностью до несколь-
ких сантиметров;
— сверхширокополосные радиолокаторы для подповерхностного зондирования
Земли и других приложений;
— повышение мощности широкополосных клистронов, основанных на групповых
(пространственно-развитых) объемных резонаторах, и многолучевых клистронов;
— появление полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной, кото-
рые позволяют получить большую мощность и работают при более высоких
температурах;
— доступность мощных генераторов миллиметровых волн, основанных на приме-
нении гироклистронов;
— нелинейная ЧМ (FM — Frequency Modulated) зондирующих импульсов, позво-
ляющая получить сжатый сигнал с низким уровнем боковых лепестков;
— замена компьютером оператора РЛС как субъекта выделения информации и
лица, принимающего решения.
Вышеупомянутые достижения перечислены в произвольном порядке, и при
этом нельзя считать данный список полным перечислением достижений радиоло-
кации с момента появления предыдущего издания. Некоторые темы, отраженные
в предыдущих изданиях справочника, которые представляют сейчас меньший инте-
рес, были исключены из текущего издания.
Авторы глав, являющиеся экспертами в своей частной области, были ориенти-
рованы на читателей, хорошо осведомленных в общем предмете, и даже экспертов
в некоторой другой частной области радиолокации, но необязательно хорошо раз-
бирающихся в предмете главы, которую писал автор.
Следовало ожидать, что по прошествии времени после выхода в свет «Справоч-
ника по радиолокации» не все авторы глав предыдущих изданий оказались доступ-
ны для участия в подготовке третьего издания. Многие из авторов предыдущих из-
даний ушли в отставку или больше не с нами. Авторы и соавторы шестнадцати из
двадцати шести глав этого издания не участвовали в подготовке предыдущих изда-
ний.
Тяжелая работа по написанию этих глав была проделана опытными авторами,
являющимися экспертами в своей области. Таким образом, значимость «Справоч-
ника по радиолокации» — результат усердия и экспертного мнения авторов, кото-
рые потратили свое время, знания и опыт, чтобы сделать это руководство полез-
ной книгой для инженеров-локационщиков и всех тех людей, деятельность
которых является жизненно важной для разработки, производства и эксплуатации
радиолокационных систем. Я глубоко благодарен всем авторам за их тщательную
работу и долгие часы, которые они посвятили выполнению своей задачи. Это ав-
торы, которые делают успешным любое издание. Моя искренняя благодарность
им всем.
Как упоминается в предисловии к предыдущему изданию, читателей, желающих
сделать ссылку или процитировать материал из справочника, просим указывать фа-
милии авторов именно тех глав, на которые выполняется ссылка.
Меррилл Сколник
Балтимор, Мэриленд
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ И КРАТКИЙ ОБЗОР ПРИНЦИПОВ РАДИОЛОКАЦИИ
Меррилл Сколник
1.1. Кратко о радиолокации и радиолокаторах
Радиолокатор (радар, радиолокационная станция, РЛС) — электромагнитный ин-
формационный датчик, предназначенный для обнаружения и определения коор-
динат и параметров движения отражающих объектов. Его функционирование мо-
жет быть описано следующим образом.
• Радиолокатор формирует зондирующий сигнал, который с помощью антенны
преобразуется в электромагнитную волну и излучается в пространство.
• Часть излученной энергии ЭМВ попадает на объект, расположенный на некото-
ром расстоянии от радиолокатора и обычно называемый целью.
• Энергия, перехваченная объектом, переизлучается по многим направлениям,
в том числе и в направлении на радиолокатор.
• Переизлученная часть энергии (отраженного сигнала) в направлении на радио-
локатор принимается антенной радиолокатора, которая преобразует принятую
ЭМВ в электрический сигнал.
• После усиления в приемнике и соответствующей обработки сигналов выносится
решение о том, присутствует ли сигнал, отраженный от цели, на выходе прием-
ника. В последнем случае определяются координаты цели и может быть извле-
чена другая информация о ней.
Обычная форма сигнала, излучаемого РЛС, — последовательность относитель-
но узких, почти прямоугольных радиоимпульсов. Примером зондирующего сигна-
ла для РЛС средней дальности действия, предназначенной для обнаружения само-
летов, является серия коротких радиоимпульсов продолжительностью одна
микросекунда (1 мкс) с периодом следования одна миллисекунда (1 мс), что соот-
ветствует частоте повторения 1 кГц; пиковая мощность передатчика РЛС может
составить, к примеру, один миллион ватт (1 МВт). С этими значениями средняя
мощность излучения составляет один киловатт. Средняя мощность 1 кВт — это
меньше, чем мощность электрического освещения типовой учебной аудитории.
Предположим для примера, что эта РЛС может работать в середине микроволно-
вого† частотного диапазона в полосе частот от 2,7 до 2,9 ГГц, которая является ти-
пичной для гражданских обзорных РЛС аэропортов. Ее длина волны может соста-
вить приблизительно 10 см (округлено для простоты). С подходящей антенной
такой радиолокатор может обнаружить самолет на дальности 50—60 морских
миль (93—111 км) и, возможно, несколько больше или меньше. Мощность сиг-
нала, отраженного от цели, принимаемая радиолокатором, может изменяться
в очень широком диапазоне значений, но мы произвольно, в иллюстративных
целях полагаем, что мощность типичного отраженного сигнала может составить
1013
ватт. Если мощность излучения составляет 106 ватт (один мегаватт), то отно-
шение мощности отраженного сигнала к мощности передатчика РЛС в этом при-
мере составляет 1019,
то есть отраженный сигнал на 190 дБ меньше по мощности,
чем излученный сигнал. Это реальная разница между величиной излученного сиг-
нала и принимаемым отраженным сигналом.
Некоторые радиолокаторы должны обнаруживать цели на дальностях, столь же
коротких, как размеры бейсбольной площадки (чтобы измерить скорость мяча при
подаче), в то время как другие радиолокаторы должны работать на дальностях, столь
же больших, как расстояния до ближайших планет. В соответствии с назначением
радиолокатор может быть как малым, чтобы помещаться в ладони, так и большим,
чтобы занимать пространство нескольких футбольных полей.
Радиолокационными целями могут быть самолеты, суда или ракеты, но в ка-
честве целей РЛС могут рассматриваться также люди, птицы, насекомые, атмо-
сферные осадки, турбулентности ясного неба, ионизированные среды, особенно-
сти земной поверхности (растительность, горы, дороги, реки, аэродромы, здания,
ограждения и столбы линий электропередачи), море, лед, айсберги, буи, подзем-
ные объекты, метеоры, полярное сияние, космические корабли и планеты. В до-
полнение к измерению дальности и углового положения цели РЛС может также
измерять относительную скорость цели, вычисляя скорость изменения расстояния
либо извлекая информацию о радиальной скорости из доплеровского сдвига час-
тоты отраженного сигнала. Если координаты движущейся цели измеряются на
протяжении некоторого периода времени, то может быть определена траектория
ее движения и, как следствие, вычислены абсолютная скорость цели, направление
ее движения и сделан прогноз относительно ее будущего положения. Специаль-
ным образом сконструированные РЛС могут определить размер и форму цели и
даже отличить один тип или класс цели от другого.
Основные части радиолокатора. Рис. 1.1 представляет собой упрощенную
структурную схему РЛС, на которой показаны подсистемы, обычно присутствую-
щие в ее составе. Передатчик, который показан здесь как усилитель мощности, ге-
нерирует радиосигнал определенной частоты и модуляции в соответствии с назна-
чением РЛС, который именуют зондирующим сигналом. Средняя мощность этого
сигнала может быть как малой, т.е. лежать в пределах милливатт, так и большой,
т.е. лежать в пределах мегаватт. Средняя мощность излучаемого сигнала — более
достоверный показатель рабочих характеристик радиолокатора, чем его пико-
вая мощность. Большинство радиолокаторов использует сигнал в виде коротких
импульсов, таким образом, единственная антенна может использоваться в режиме
разделения времени и для передачи, и для приема.
Переключатель приема/передачи позволяет единственной антенне работать как
на передачу, предохраняя от повреждения чувствительный приемник во время ге-
нерации импульса передатчиком, так и на прием, направляя полученный отражен-
ный сигнал к приемнику, а не к передатчику.
Антенна — устройство, позволяющее электромагнитной энергии зондирующе-
го сигнала распространяться в пространстве и собирающее энергию отраженного
сигнала на вход приемника. Это почти всегда узконаправленная антенна, то есть
такая, которая концентрирует излучаемую энергию в узком луче, чтобы увеличить
плотность потока мощности, а также позволяет решить задачу точного определе-
ния направления на цель. Антенна, имеющая узкий направленный луч на пере-
дачу, обычно имеет большую площадь на прием, чтобы собирать энергию слабых
отраженных сигналов цели с большей площади. Антенна не только концентрирует
энергию при передаче и собирает энергию отраженного сигнала при приеме, но
также действует как пространственный фильтр, обеспечивающий угловое разре-
шение и другие возможности.
Приемник усиливает слабый принятый сигнал до уровня, который обеспечива-
ет его обнаружение. Наличие шума — принципиальное ограничение способности
РЛС принять достоверное решение об обнаружении цели и возможности извлечь
информацию о ней, поэтому требуется обеспечить малый уровень собственного
шума приемника. На микроволновых частотах, где работает большинство РЛС,
источником шума, воздействующего на рабочие характеристики радиолокатора,
обычно являются первые каскады приемника, обозначенные на рис. 1.1 как мало-
шумящий усилитель. Для многих радиолокационных приложений, где способность
обнаружения ограничена мешающими отражениями от окружающей среды (назы-
ваемыми также пассивной помехой), приемник должен иметь достаточно большой
динамический диапазон, чтобы избежать подавления слабых сигналов движущих-
ся целей сильной помехой, вызывающей насыщение усилительных каскадов.
Динамический диапазон приемника, обычно выражаемый в децибелах, определяет-
ся [1] как отношение максимальной и минимальной мощностей входного сигнала,
при которых приемник может обеспечить требуемые рабочие характеристики.
Максимальный уровень сигнала ограничивается допустимыми нелинейными эф-
фектами в приемнике (например величиной мощности сигнала, при которой
характеристика усиления приемника начинает отличаться от линейной), а за ми-
нимальную мощность можно принять мощность самого слабого обнаруживаемого
сигнала. Процессор сигналов, в качестве которого часто рассматривают часть при-
емного тракта, работающего на промежуточной частоте, можно описать как
устройство, которое отделяет полезный сигнал от нежелательных сигналов, спо-
собных осложнить процесс обнаружения. Сигнальная обработка включает согласо-
ванный фильтр, который максимизирует отношение сигнал/шум на своем выходе.
Сигнальная обработка также включает обработку доплеровских сигналов, которая
максимизирует отношение сигнал/помеха для сигналов движущихся целей, когда
уровень пассивных помех больше, чем шум приемника. Это позволяет отделить
одну движущуюся цель от других движущихся целей и от пассивных помех. Реше-
ние об обнаружении принимается на выходе приемника: цель считается обнаружен-
ной, когда сигнал на выходе приемника превышает заранее установленный порог.
Если порог установлен слишком низко, шум приемника может вызвать частые
ложные срабатывания. Если порог установлен слишком высоко, то некоторые
цели, которые могли бы быть обнаружены, оказываются пропущенными. Крите-
рием установки порога на определенный уровень может быть требование допусти-
мой частоты ложных тревог, вызванных собственным шумом приемника.
После того как решение об обнаружении принято и измерены координаты
цели, может быть определена траектория ее движения, состоящая из совокупности
измерений координат в течение некоторого времени. Определение траектории —
это пример обработки радиолокационных данных. Обработанная информация об
обнаружении цели или ее траектории может быть показана оператору РЛС, или
может быть использована для автоматического наведения ракеты на цель, или же
далее обработана, чтобы получить другую, более детальную информацию о харак-
теристиках цели. Подсистема управления радиолокатором обеспечивает совместную
работу его различных частей и гарантирует их координацию, например, подавая
синхронизирующие сигналы к различным частям РЛС в соответствии с требова-
ниями.
Инженер — разработчик РЛС оперирует следующими ресурсами: временным
интервалом приема сигналов, который должен обеспечить хорошую спектральную
обработку принимаемых сигналов, шириной спектра сигнала, необходимой для вы-
сокой разрешающей способности по дальности, пространственным объемом, от ко-
торого зависят допустимые размеры антенны, и мощностью излучения для обеспе-
чения необходимой дальности действия и точных измерений. Внешние факторы,
воздействующие на рабочие характеристики РЛС, включают характеристики са-
мой цели, внешний шум, принимаемый антенной, мешающие отражения от земли,
моря, птиц и дождя, интерференцию с другими источниками электромагнитного
излучения и эффекты распространения сигнала, связанные с земной поверхностью
и состоянием атмосферы. Эти факторы упомянуты с целью подчеркнуть их значе-
ние в процессе проектирования и использования РЛС.
Радиолокационные передатчики. Передатчик РЛС должен не только обеспечи-
вать достаточную пиковую и среднюю мощности, требуемые для обнаружения
цели на максимальной дальности, но также генерировать сигнал с требуемой фор-
мой и стабильностью, необходимыми для решения специфических задач. Передат-
чики могут использовать генераторы или усилители мощности на выходе, но
последние обычно предпочтительны, так как имеют определенные преимущества.
Существует много типов источников высокочастотной мощности, используе-
мых в радиолокаторах (см. гл. 10). Магнетрон как генератор мощности был ког-
да-то очень популярен, но сейчас он редко используется, за исключением граж-
данских морских РЛС (см. гл. 22). Ввиду относительно низкой средней мощности
(один-два киловатта) и недостаточной стабильности частоты магнетроны уступают
другим источникам СВЧ-мощности, используемым в РЛС для обнаружения не-
больших движущихся целей на большой дальности при наличии сильных мешаю-
щих отражений. Магнетронный генератор мощности — пример устройств, называ-
емых приборами со скрещенными полями. Есть также родственный ему усилитель со
скрещенными полями (CFA — Сrossed-Field Amplifier), который использовался в не-
которых радиолокаторах в прошлом, но он также страдает наличием ограничений
для важных радиолокационных применений и особенно в РЛС для обнаружения
движущихся целей при наличии пассивных помех. Мощный клистрон и лампа бе-
гущей волны (ЛБВ) являются примерами СВЧ-приборов с продольной группировкой
электронов. При большой выходной мощности, часто требуемой радиолокаторами,
эти оба последних типа приборов имеют широкие полосы пропускания и высокую
стабильность, необходимую для обработки доплеровских сигналов, благодаря чему
они стали популярны.
Полупроводниковые усилители мощности, такие как транзисторные, также ис-
пользуются в радиолокаторах, особенно в их фазированных антенных решетках.
Хотя у одного транзистора относительно небольшая мощность, каждый из много-
численных антенных излучающих элементов антенной решетки может использо-
вать множество транзисторов, чтобы получить большую мощность, необходимую
для многих радиолокационных приложений. При использовании твердотельных
транзисторных усилителей разработчик РЛС должен быть в состоянии обеспечить
работу в высоконагруженном режиме, режиме работы длинными импульсами,
предполагающем сжатие сигналов, и в режиме работы с импульсами разной дли-
тельности, позволяющем осуществлять обнаружение как на малых, так и на боль-
ших дальностях. Таким образом, использование передатчиков на твердотельных
приборах может оказать влияние на другие части радиолокационной системы.
В миллиметровом диапазоне волн очень большая мощность может быть получена
с помощью гиротронов, используемых как усилитель или генератор. Электроваку-
умные приборы с сеточным управлением в течение долгого времени были востребо-
ваны в РЛС микроволнового диапазона и более низких частот, но интерес к ра-
диолокаторам низких частот в настоящее время невелик.
Хотя с этим не все могут согласиться, но некоторые инженеры — разработчи-
ки РЛС при наличии выбора предпочли бы клистронный усилитель в качестве ис-
точника большой СВЧ-мощности современного радиолокатора при условии, что
разрабатываемый локатор допускает применение клистронов.
Радиолокационные антенны. Антенна — этот тот элемент, который соединяет
РЛС с внешним миром (см. гл. 12, 13). Она выполняет несколько задач: 1) кон-
центрирует излучаемую энергию при передаче, то есть имеет направленное дейст-
вие и узкую ширину луча; 2) собирает энергию сигнала, отраженного от цели;
3) обеспечивает измерение углового положения цели; 4) обеспечивает пространст-
венное разрешение целей по угловым координатам; 5) позволяет выбрать для на-
блюдения желаемый сектор пространства. Антенна может быть параболическим
зеркалом с механическим приводом сканирования, плоской фазированной решет-
кой с механическим сканированием или антенной продольного излучения также
с механическим сканированием. В качестве антенны может использоваться фази-
рованная решетка с электронным управлением лучом, использующая единствен-
ный передатчик с параллельным возбуждением излучателей или с пространствен-
ным (квазиоптическим) способом питания каждого элемента антенны. Это может
быть пространственно-развернутая структура с распределением мощности излуче-
ния между ее отдельными элементами или антенная решетка с электронным ска-
нированием, каждый элемент которой — «миниатюрный» твердотельный радиоло-
катор (называется также активной фазированной антенной решеткой). У каждого
типа антенны есть свои специфические преимущества и ограничения. Вообще го-
воря, чем больше размеры антенны, тем лучше, но всегда существуют практиче-
ские ограничения ее размеров.
1.2. Типы радиолокаторов
Хотя не существует никакого единственного способа классифицировать радиоло-
каторы, здесь мы это сделаем на основании основных особенностей, которые от-
личают один тип РЛС от другого.
Импульсный радиолокатор. Это радиолокатор, который излучает последователь-
ность периодически повторяющихся почти прямоугольных радиоимпульсов. Этот
тип РЛС можно назвать канонической формой радиолокатора. Именно его имеют
в виду обычно, когда ничего не сказано о каких-либо характеристиках РЛС.
Радиолокатор высокого разрешения (с высокой разрешающей способностью).
Высокая разрешающая способность может относиться к дальности, углу или ра-
диальной скорости, но под радиолокатором с высоким разрешением обычно
подразумевают РЛС с высокой разрешающей способностью по дальности. У не-
которых радиолокаторов высокого разрешения разрешающая способность по
дальности измеряется долями метра, хотя она может достигать и нескольких
сантиметров.
Радиолокатор со сжатием импульсов. Это радиолокатор, излучающий длинные
импульсы с внутриимпульсной модуляцией (обычно частотной или фазовой), что-
бы совместить большую энергию длинного импульса с высоким разрешением по
дальности, присущей коротким импульсам.
Радиолокатор непрерывного излучения (РЛС НИ, CW radar — Continuous Wave radar)
1. Этот тип РЛС излучает непрерывную синусоидальную радиоволну. Его
основное назначение — использование доплеровского сдвига частоты для обнару-
жения движущихся целей или для измерения относительной радиальной скорости
цели.
Радиолокатор с непрерывным частотно-модулированным сигналом (РЛС HЧМС,
FM-CW radar — Frequency Modulation CW radar)2. Это радиолокатор непрерывного
излучения, в котором частотная модуляция сигнала дает возможность измерения
дальности.
Обзорный радиолокатор (РЛС обзора — Surveillance Radar). Хотя словарь переда-
ет смысл слова «surveillance» как наблюдение, но на самом деле РЛС обзора — это
такой радиолокатор, который обнаруживает присутствие цели (такой как самолет
или судно) и определяет ее координаты по дальности и углу. В его задачи может
входить наблюдение цели в течение некоторого времени, чтобы проследить траек-
торию ее движения.
Радиолокатор с системой селекции движущихся целей (РЛС с СДЦ, индикатор
движущихся целей, MTI — Moving Target Indication)1. Это импульсный радиоло-
катор, который обнаруживает движущиеся цели при наличии пассивных помех,
используя низкую частоту повторения импульсов (ЧПИ, PRF — Pulse Repetition
Frequency)2. Низкая ЧПИ обеспечивает однозначность измерения дальности, од-
нако ей присуща неоднозначность в области доплеровских частот, из чего следует
существование так называемых «слепых скоростей».
Импульсно-доплеровский радиолокатор. Есть два типа импульсно-доплеровских
РЛС, которые излучают импульсный сигнал либо с высокой ЧПИ (РЛС ВЧП,
НPRF — High Pulse Repetition Frequency), либо со средней ЧПИ (РЛС СЧП)3.
И та и другая используют доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала,
чтобы идентифицировать сигналы движущихся целей на фоне мешающих отраже-
ний и определить радиальную скорость их движения. У РЛС с ВЧП отсутствуют
неоднозначность в частотной области и слепые скорости, но ей присуща неодно-
значность измерения дальности. У РЛС с СЧП имеется неоднозначность как по
дальности, так и по скорости, хотя есть другие достоинства.
РЛС сопровождения. Это радиолокатор, который осуществляет слежение за
целью, определяя параметры траектории ее движения. Различные способы осу-
ществления сопровождения и соответствующие режимы работы РЛС, обозначае-
мые как STT, ADT, TWS и следящие ФАР, описаны ниже.
Сопровождение одной цели (STT — Single Target Tracker)4. РЛС сопровождает
единственную цель по угловым координатам, постоянно оценивая направление
визирования со скоростью обновления данных, которая является достаточно вы-
сокой, чтобы обеспечить точное слежение за маневренной целью. Типичный ин-
тервал времени между двумя последовательными оценками — 0,1 с. (темп обнов-
ления данных — 10 измерений в секунду). Эти системы обычно используют
моноимпульсный метод пеленгации для получения точных данных об угловых ко-
ординатах.
Автоматическое обнаружение и сопровождение (ADT — Automatic Detection and
Tracking)5. Этот режим работы выполняется обзорной РЛС. Локатор может сопро-
вождать очень большое количество целей, используя данные измерений их угловых
координат, полученные по множеству последовательных обзоров. Данный режим
часто называют режимом сопровождения целей «на проходе». Скорость обновления
данных в этом методе не столь высока, как при STT. Время между последователь-
ными измерениями в этом режиме колеблется от 1 до 12 секунд в зависимости от
приложения.
Сопровождение в режиме обзора (TWS — Track-While-Scan). Этот метод сопро-
вождения также осуществляется обзорной РЛС, выполняющей сканирование
пространства в узкой области пространства по одному или двум угловым измере-
ниям. Тем самым обеспечивается высокая скорость обновления информации о
координатах всех целей, находящихся в пределах ограниченной зоны обзора по
углам. Этот метод использовался в прошлом в наземных РЛС, сопровождающих
самолеты при посадке, а также в некоторых типах РЛС наведения оружия и в
некоторых бортовых радиолокаторах военного назначения.
Следящая ФАР. Фазированная решетка с электронным управлением лучом
может (почти) непрерывно сопровождать более чем одну цель с высокой ско-
ростью обновления данных. Возможно также одновременное сопровождение
множества целей при более низкой скорости передачи данных, аналогичное ме-
тоду ADT.
РЛС картографирования. Этот тип РЛС предназначен для получения двумер-
ных радиолокационных изображений протяженных объектов, таких как часть по-
верхности Земли и всего, что на ней находится. Эти радиолокаторы обычно уста-
навливаются на движущихся платформах.
Бортовая РЛС бокового обзора (SLAR — Sidelooking Airborne Radar)1. Эта само-
летная РЛС картографирования формирует радиолокационные изображения с вы-
соким разрешением по дальности и подходящим разрешением по углу благодаря
узкой ширине луча антенны.
РЛС с синтезированной апертурой (РСА, SAR — Synthetic Aperture Radar)2. РСА —
когерентный* радиолокатор картографирования, размещенный на движущемся
летательном аппарате, который использует фазовую информацию отраженного сиг-
нала для формирования изображения подстилающей поверхности с высоким про-
странственным разрешением в продольном и поперечном направлениях. Высокое
разрешение по дальности достигается за счет сжатия импульсов.
РЛС с инверсной (обратной) синтезированной апертурой (ИРСА, ISAR — Inverse
Synthetic Aperture Radar)3. ИРСА — когерентная РЛС формирования изображений
сложных движущихся целей, обладающая высоким разрешением по дальности и
столь же высоким разрешением в поперечном направлении. Высокое поперечное
разрешение достигается благодаря относительному боковому движению цели и со-
ответствующей обработке отраженного сигнала в частотной области. Эта РЛС мо-
жет располагаться на движущемся носителе или быть стационарной.
РЛС управления оружием. Это название обычно относится к следящей системе
сопровождения одной цели, такая система используется для защиты от воздушно-
го нападения.
РЛС наведения. Обычно это радиолокатор, установленный на ракете, которая
позволяет последней «нацелиться» на объект или осуществлять самонаведение
на цель.
Метеорологический радиолокатор наблюдения. Данные радиолокаторы обнару-
живают, распознают и измеряют такие параметры, как интенсивность осадков, на-
правление и скорость ветра, осуществляют наблюдение за другими атмосферными
явлениями, важными для метеорологических целей. Они могут быть специализи-
рованными метео-РЛС или быть реализованы в качестве одной из функций обзор-
ных РЛС.
Доплеровская метеорологическая РЛС. Это радиолокатор наблюдения за пого-
дой, который использует доплеровский сдвиг частоты, вызванный движущимися
атмосферными массами, чтобы определить скорость ветра и резкие изменения его
направления и скорости. Такая РЛС может указать на опасные погодные явления,
такие как торнадо или резкие нисходящие воздушные потоки и другие метеороло-
гические эффекты.
РЛС распознавания целей. В ряде случаев оказывается важным распознать тип
цели, наблюдаемой радиолокатором (например автомобиль или птица), определить
ее подтип (легковой автомобиль или грузовик, скворец или воробей) или отличить
цель одного класса от другого (круизный лайнер от танкера). В системах военного
назначения эту задачу обычно называют некооперативным радиолокационным распо-
знаванием целей (NCTR — Noncooperative Target Recognition) в противовес коопе-
ративной системе распознавания, такой как система опознавания «свой—чужой»
(IFF — Identification Friend or Foe), которая не является радиолокационной1. Когда
распознавание относится к природным объектам и окружающей среде, то РЛС,
предназначенную для этой задачи, обычно называют радиолокатором дистанционно-
го зондирования (окружающей среды).
Многофункциональная РЛС. Если каждая из вышеупомянутых РЛС полагалась
выполняющей какую-либо одну радиолокационную функцию, то многофункцио-
нальная РЛС предназначена для выполнения более чем одной такой функции.
Причем обычно в каждый момент времени выполняется одна функция, то есть ре-
ализуется режим разделения времени.
Есть много иных способов описать радиолокаторы, принимая во внимание
место их установки: земля, море, авиационный носитель, космический аппарат;
степень мобильности: мобильный, транспортабельный, стационарный; назначе-
ние: авиадиспетчерская служба, военного применения, подповерхностного зон-
дирования, загоризонтные, инструментальные; особенности частотного диапазона,
в котором они работают: УВЧ, L, S, лазерные (лидары), сверширокополосные,
и другие параметры.
1.3. Информация, извлекаемая
с помощью радиолокаторов
Само по себе обнаружение целей имеет небольшую ценность, если никакой дру-
гой информации о цели не извлекается. Аналогично информация о цели без ее
обнаружения также бессмысленна.
Дальность. Вероятно, главный отличительный признак типового радиолокато-
ра — его способность определить расстояние до цели путем измерения времени
распространения сигнала от радиолокатора до цели и обратно. Никакой другой
измерительный прибор (сенсор) не может измерить расстояние до объекта, нахо-
дящегося на большой дальности, с точностью, обеспечиваемой радиолокатором.
Ограничение точности дальнометрии на больших дальностях связано в основном
с точностью знания скорости распространения электромагнитной волны в среде.
При умеренных дальностях точность может составлять несколько сантиметров.
Для измерения временной задержки излучаемый сигнал должен иметь своего рода
метки времени. Метками времени могут служить короткие импульсы (амплитудная
модуляция сигнала), но это может быть также периодическая частотная или фазо-
вая модуляция. Точность измерения расстояния зависит от ширины полосы частот
зондирующего сигнала: чем шире полоса, тем больше точность. Таким образом,
ширина полосы — основной показатель точности измерения дальности.
Радиальная скорость. Радиальная скорость цели может быть вычислена как
изменение ее дальности за единицу времени, но она может быть также оценена
с помощью измерения доплеровского сдвига частоты. Точное измерение ради-
альной скорости требует времени. Следовательно, время — основной параметр,
определяющий точность измерения радиальной скорости. Скорость и направле-
ние движения цели могут быть найдены по ее траектории, которая определяется
радиолокатором путем измерений координат цели в течение некоторого интерва-
ла времени.
Угловое направление цели. Один из методов измерения углового направления
цели состоит в определении угла, при котором величина отраженного сигнала на
выходе сканирующей антенны максимальна. Этот метод обычно требует использо-
вания антенны с узкой шириной луча (антенны с высоким коэффициентом усиле-
ния). РЛС для обзора воздушного пространства с вращающимся антенным лучом
определяет угловое положение цели именно таким способом. Направление на
цель в одном угловом измерении может также быть определено при помощи двух
антенных лучей, несколько смещенных по углу относительно друг друга, путем
сравнения амплитуды отраженных сигналов в каждом луче. Для одновременного
измерения азимута цели и угла места (возвышения над горизонтом) необходимы
четыре луча. Хорошим примером такого метода является моноимпульсная радио-
локационная станция сопровождения, описанная в главе 9. Точность угловых из-
мерений зависит от электрического размера антенны, то есть от размера антенны,
выраженного в длинах волны.
Размер и форма цели. Если РЛС обладает достаточной разрешающей способно-
стью по дальности или углу, то она может выполнять измерения размеров цели по
той координате, где имеется высокое разрешение. Обычно удается достичь высо-
кой разрешающей способности по дальности, то есть в продольном направлении.
Высокое разрешение в поперечном направлении, равное произведению дальности
на ширину луча антенны, может быть получено только при очень узкой ширине
луча. Однако ширина луча антенны ограничена максимальными размерами антен-
ны. Таким образом, поперечное разрешение, полученное этим методом, не может
быть столь же высоким, как разрешающая способность по дальности. Очень высо-
кое поперечное разрешение может быть получено при анализе доплеровского
спектра отраженных сигналов. Этот метод используется в РСА (РЛС с синтезиро-
ванной апертурой) и ИРСА (РЛС с инверсной синтезированной апертурой), кото-
рым посвящена глава 17. Получить высокое поперечное разрешение с помощью
РСА и ИРСА можно только при наличии бокового перемещения локатора относи-
тельно цели или цели относительно локатора. Если имеется достаточное разреше-
ние и в продольном и в поперечном направлениях, то помимо оценки размеров
цели возникает возможность оценить ее форму и использовать эту информацию
для различения целей.
Важность ширины полосы частот в радиолокации. Ширина полосы частот связана
с информационной емкостью или объемом информации, передаваемой за единицу
времени, следовательно, это очень важный параметр для многих радиолокационных
приложений. Есть два типа ширины полосы, с которыми приходится иметь дело ра-
диолокации. Первый тип — ширина полосы сигнала, которая определяется длитель-
ностью импульса или шириной спектра внутриимпульсной модуляции сигнала.
Второй тип — ширина полосы настройки. Сигнальная ширина полосы простого ра-
диоимпульса длительностью равна 1/ . Сложные импульсные сигналы, описанные
в главе 8, могут иметь ширину полосы, намного большую, чем обратная величина
длительности импульса. Широкая сигнальная полоса необходима для высокого раз-
решения по дальности, для точного измерения дальности цели и для того, чтобы
иметь некоторую возможность различения одного типа цели от другого. Высокое
разрешение по дальности также может быть полезным для уменьшения эффектов
мерцания в РЛС сопровождения для реализации одного из методов оценки высоты
полета воздушных целей, основанного на измерении задержки между прямым отра-
женным сигналом и сигналом, переотраженным земной поверхностью (называемо-
го методом многолучевого определения высоты). Высокое разрешение по дальности
способствует повышению отношения сигнал/помеха. В военных системах высокая
разрешающая способность по дальности может использоваться для подсчета коли-
чества отдельных целей в плотной группе воздушных судов, а также для обнаруже-
ния и защиты от некоторых типов радиоэлектронного противодействия.
Ширина полосы настройки предполагает возможность изменять (перестраивать)
рабочую частоту сигнала в пределах широкого диапазона выделенного спектра. Это
может использоваться для того, чтобы понизить взаимные помехи среди РЛС, рабо-
тающих в той же самой полосе частот, и для того, чтобы сделать радиоэлектронное
противодействие противника менее эффективным. Чем выше рабочая частота, тем
легче получить широкую полосу сигнала и широкую полосу настройки.
Ограничение на доступность частотного спектра, выделяемого радиолокацион-
ным системам, устанавливают национальные правительственные регулирующие
агентства (в Соединенных Штатах — Федеральная комиссия по связи FCC — International
Telecommunications Union), а на международном уровне — Международный
союз электросвязи (ITU — International Telecommunication Union). После успешного
применения радиолокации во Второй мировой войне радиолокационным системам
выделили более одной трети всего микроволнового диапазона. За прошедшие годы
выделенная область спектра была значительно сокращена в связи с появлением
многих коммерческих пользователей спектра, работающих в «эру беспроводных
технологий», и других служб, требующих своей доли спектра электромагнитных
волн. Таким образом, инженер — разработчик РЛС все острее и острее чувствует
дефицит доступных областей спектра и сложность размещения требуемой полосы
частот, которая является жизненно важной для успеха многих радиолокационных
приложений.
Отношение сигнал/шум. Точность всех радиолокационных измерений, как и
достоверность обнаружения целей, зависит от отношения E/N0, где E — полная
энергия принятого сигнала после его обработки радиолокатором и N0 — мощность
шума на единицу ширины полосы пропускания приемника. Таким образом, отно-
шение E/N0 — важный критерий возможностей РЛС.
Многочастотная работа. Возможность работы на более чем одной рабочей часто-
те дает радиолокатору важные преимущества [2]. Под быстрой перестройкой часто-
ты обычно имеется в виду изменение несущей частоты от импульса к импульсу. Ча-
стотное разнесение обычно предполагает использование множества частот, которые
широко разнесены по спектральной оси — иногда на несколько радиолокационных
диапазонов. При использовании частотного разнесения РЛС может работать на
каждой частоте одновременно или почти одновременно. Этот метод использовался
почти во всех гражданских радиолокаторах управления воздушным движением. Бы-
страя перестройка частоты, однако, несовместима с использованием доплеровской
обработки сигналов для обнаружения движущихся целей при воздействии пассив-
ных помех, а частотное разнесение может быть совместимым с таким применением.
Частотный диапазон, занимаемый сигналом, и при быстрой перестройке, и при раз-
несении намного больше, чем ширина полосы простого импульса длительностью .
Устранение провалов диаграммы направленности по углу места. Работа радиоло-
катора на единственной частоте может привести к образованию лепесткового харак-
тера диаграммы излучения антенны в вертикальной плоскости в результате интер-
ференции прямого сигнала (РЛС — цель) и рассеянного поверхностью сигнала
(РЛС — поверхность земли — цель). Под лепестковым характером излучения мы
подразумеваем пониженное излучение под некоторыми углами места (провалы)
и увеличенную мощность сигнала под другими углами (выступы). Изменение час-
тоты позволяет изменить локализацию провалов и выступов так, чтобы провалы, су-
ществующие на одной частоте, компенсировались выступами на другой частоте и
результирующая диаграмма излучения в целом стала бы более гладкой. При этом
вероятность пропуска отраженного сигнала цели должна уменьшиться. Например,
измерения, проводимые с помощью широкополосного экспериментального радио-
локатора, известного как Senrad, работающего на частотах от 850 до 1400 МГц, по-
казали, что в одночастотном режиме работы усредненная по большому числу на-
блюдений вероятность появления отметки цели при сканировании была равна 0,78.
Когда же радиолокатор работал на четырех различных сильно разнесенных частотах,
вероятность появления отметки цели при сканировании стала равной 0,98 — очень
существенное увеличение, обусловленное только частотным разнесением [2].
Повышение вероятности обнаружения целей. Эффективная площадь отражения
(ЭПО) сложной цели, такой как самолет, может очень существенно меняться
с изменением частоты излучения. На некоторых частотах ЭПО будет малой величи-
ной, а на других — большой. Если РЛС работает в одночастотном режиме, то суще-
ствует вероятность получить слабый отраженный сигнал и, как следствие, пропуск
цели. При смене частот ЭПО цели оказывается то малой, то большой, и успешное
обнаружение становится более вероятным, чем при работе на единственной частоте.
Это одна из причин, по которой почти все РЛС управления воздушным движением
работают на двух частотах. При этом рабочие частоты разнесены на такую величину,
при которой отраженные от цели сигналы оказываются взаимно некоррелирован-
ными, поэтому вероятность обнаружения увеличивается.
Понижение эффективности электронного противодействия противника. Любой
реальный радиолокатор военного назначения должен быть готов к использованию
противником мер радиоэлектронного подавления, снижающих эффективность это-
го локатора. Работа в широком диапазоне частот делает радиопротиводействие бо-
лее трудным, чем при работе на одной частоте. При использовании шумовой загра-
дительной помехи изменение частоты непредсказуемым для противника способом в
широкому частотному диапазону. Следовательно, снижается мощность помехи в
полосе частот, занимаемой сигналом радиолокатора в момент отдельного зондиро-
вания. Частотное разнесение в широкой полосе также делает более трудным (но
возможным) перехват рабочей частоты приемником противника, а противорадиоло-
кационной ракете это затрудняет обнаружение и наведение на РЛС.
Доплеровское смещение частоты в радиолокации. Важность учета доплеровского
сдвига частоты для импульсного радиолокатора была оценена вскоре после Второй
мировой войны. Его использование со временем становилось все более и более
важным фактором во многих радиолокационных приложениях. Современный ра-
диолокатор был бы намного менее интересным или полезным, если бы эффект
Доплера не существовал. Доплеровский сдвиг частоты fd может быть найден в со-
ответствии с выражением
fd = 2vr / = (2v cos ) / , (1.1)
где vr = v cos — относительная скорость цели (по отношению к РЛС) в м/с, v —
абсолютная скорость цели в м/с, — длина волны РЛС в метрах и — угол между
вектором скорости движения цели и линией визирования. С точностью примерно
3% доплеровская частота в герцах приблизительно равна скорости vr в узлах, поде-
ленной на длину волны в метрах.
Доплеровский сдвиг частоты широко используется для выделения движущих-
ся целей на фоне неподвижных мешающих отражателей, как это описано в гла-
вах 2—5. Такие радиолокаторы известны как РЛС с СДЦ (РЛС с системой селек-
ции движущихся целей), бортовая РЛС с СДЦ и импульсно-доплеровские РЛС.
Все современные РЛС управления воздушным движением, все важные военные
наземные радиолокаторы, бортовые РЛС обзора воздушного пространства и все
самолеты-истребители используют в своих интересах эффект Доплера. Отметим,
что во время Второй мировой войны ни один импульсный радиолокатор не ис-
пользовал эффект Доплера. Радиолокаторы с непрерывным излучением также ис-
пользуют эффект Доплера для обнаружения движущихся целей, но практическое
применение данных РЛС для этих целей сейчас не столь популярно, как это было
в свое время. Загоризонтные РЛС декаметрового диапазона (см. гл. 20) не могли
бы обнаружить ни одной движущейся цели из-за очень сильных отражений от по-
верхности Земли без использования эффекта Доплера.
Другим существенным радиолокационным приложением, зависящим от до-
плеровского смещения частоты, являются РЛС наблюдения за погодой, такие как
РЛС Nexrad американской Национальной метеорологической службы (см. гл. 19).
Принцип работы РСА и ИРСА может быть описан с точки зрения использо-
вания доплеровского сдвига частоты (см. гл. 17). Бортовая доплеровская метео-
рологическая РЛС также основана на доплеровском смещении. Использование
эффекта Доплера в радиолокаторах, вообще говоря, налагает большие требова-
ния на стабильность передатчика РЛС и повышает сложность обработки сигна-
лов. Тем не менее эти требования охотно принимаются разработчиками, чтобы
достигнуть существенных преимуществ, предоставляемых эффектом Доплера.
Нужно также отметить, что доплеровское смещение — ключевая способность ра-
диолокаторов, предназначенных для измерения скорости, например полицей-
ских радаров, предназначенных для слежения за ограничением скорости транс-
портных средств, и других приложений, где требуется дистанционное измерение
скорости.
1.4. Уравнение дальности действия радиолокатора
Уравнение дальности действия радиолокатора (или для краткости уравнение ра-
диолокации1) не только служит очень полезной цели — расчету дальности дейст-
вия как функции характеристик радиолокатора, но также полезно как ориентир
при проектировании радиолокационных систем. Простая форма уравнения радио-
локации выглядит следующим образом:
P
PG
R R
r A
t t
e
4 2 4 2
. (1.2)
Правая сторона уравнения записана как произведение трех сомножителей,
чтобы отразить имеющие место физические процессы. Первый сомножитель спра-
ва — плотность потока мощности излученного сигнала на расстоянии R от радиоло-
катора, излучающего мощность Pt антенной с коэффициентом усиления Gt. Чис-
литель второго сомножителя — эффективная площадь отражения (ЭПО) цели.
Она имеет размерность площади (например квадратные метры) и является мерой
энергии, переизлученной целью назад в направлении радиолокатора. Знаменатель
второго сомножителя учитывает рассеяние отраженного сигнала на его обратном
пути к радиолокатору. Произведение первых двух множителей представляет собой
мощность отраженной радиоволны, падающей на единичную площадь приемной
антенны радиолокатора. Отметим, что определение эффективной площади отра-
жения цели следует именно из этого уравнения. Приемная антенна, имеющая эф-
фективную площадь Ae, собирает мощность Pr отраженного сигнала, вернувшегося
к радиолокатору. Если максимальную дальность действия радиолокатора Rmax
определить из условия равенства мощностей принятого сигнала и минимального
обнаруживаемого сигнала радиолокатора Smin, то простая форма уравнения радио-
локации будет выглядеть следующим образом:
R
PG A
S
t t e
max
( ) min
4
4 2
. (1.3)
Большинство РЛС использует одну антенну и для передачи, и для приема. Из тео-
рии антенн известно соотношение между коэффициентом усиления антенны Gt на
передачу и ее эффективной площадью на прием: Gt = 4 ·Ae / 2, где — длина
волны РЛС. Подстановка этого выражения в (1.3) дает две других полезных фор-
мы записи уравнения радиолокации (непоказанные здесь). Одна из них представ-
ляет антенну только ее коэффициентом усиления, другая — только ее эффектив-
ной площадью.
Простая форма уравнения радиолокации поучительна, но не очень полезна,
так как не учитывает много факторов. Минимальный обнаруживаемый сигнал
ограничен шумом приемника и может быть выражен как
Smin = kT0BFn (S/N)1. (1.4)
В этом выражении kT0·B — так называемый тепловой шум нагретого омического
проводника, где k — постоянная Больцмана, T0 — стандартная температура 290 °K
и B — ширина частотной полосы приемника (обычно это ширина полосы УПЧ,
если используется приемник супергетеродинного типа). Произведение kT0 равно
4·1021
Вт/Гц. Чтобы учесть дополнительный шум, вносимый реальным (неиде-
альным) приемником, выражение теплового шума умножается на коэффициент
шума Fn приемника, определенный как отношение мощности шума реального
приемника к мощности шума идеального приемника. Принятый сигнал считается
обнаруживаемым, если его мощность больше, чем мощность шума приемника,
умноженная на коэффициент, обозначенный здесь как (S/N)1. Эта величина — от-
ношение сигнал/шум (S/N)1, необходимое для обнаружения, если принимается
только один импульс. Это отношение должно быть достаточно большим, чтобы
при заданной вероятности ложной тревоги (возникающей, когда шум превышает
порог приемника) получить заданную вероятность правильного обнаружения (как
это описано во множестве учебников по радиолокации [3, 4]). Однако радиолока-
торы, вообще говоря, принимают больше одного импульса прежде чем принять
решение об обнаружении. Мы полагаем, что зондирующий сигнал радиолокато-
ра — периодическая последовательность почти прямоугольных радиоимпульсов.
Эти импульсы интегрируются (суммируются) перед тем, как будет вынесено ре-
шение об обнаружении. Чтобы учесть эти добавленные сигналы, числитель урав-
нения радиолокации умножается на коэффициент n·E(n), где E(n) — показатель
эффективности операции сложения n импульсов вместе. Эта величина может так-
же быть найдена в стандартных учебниках и справочниках.
Мощность Pt — пиковая мощность импульса радиолокатора. Средняя мощ-
ность Pav лучше характеризует способность РЛС обнаруживать цели, и поэтому
иногда ее включают в уравнение радиолокации с помощью подстановки Pt =
= Pav / fp· , где fp — частота повторения импульсов радиолокатора и — длитель-
ность импульса. Поверхность Земли и ее атмосфера могут сильно воздействовать
на распространение электромагнитных волн и изменить область действия и воз-
можности радиолокатора. В уравнении радиолокации эти эффекты распростране-
ния учитываются коэффициентом F4 в числителе правой части уравнения, как
описано в главе 26. С учетом упомянутой подстановки простая форма уравнения
радиолокации записывается в виде
R
P GA nE n F
kT F f S N L
e i
n p s
max
( )
( ) ( / )
4
4
2
4 0 1
av
. (1.5)
В процессе вывода уравнения (1.5) полагалось, что B· Ј 1, что обычно примени-
мо к радиолокационным приемникам. Коэффициент Ls (больший, чем единица),
называемый коэффициентом системных потерь, добавлен в выражение, чтобы
учесть множество источников потерь, которые могут возникнуть в радиолокаторе.
Коэффициент потерь может быть довольно большим. Если системными потерями
пренебречь, то при расчете ожидаемой дальности действия радиолокатора можно
совершить очень грубую ошибку. Величина потерь от 10 до 20 дБ считается весьма
обычной, когда приняты во внимание все источники потерь радиолокационной
системы.
Уравнение (1.5) применимо к радиолокатору, который наблюдает цель доста-
точно долго, чтобы принять n отраженных импульсов. Более строго оно примени-
мо, если время наблюдения цели t0 равно n/fp. Примером может служить РЛС со-
провождения, которая непрерывно наблюдает единственную цель в течение
времени t0. Для обзорной РЛС это уравнение, однако, должно быть модифици-
ровано. Допустим, что обзорная РЛС наблюдает пространственную зону протя-
женностью стерадиан с периодом обзора (периодом возврата к той же точке
пространства) ts. У РЛС авиадиспетчерской службы это время составляет от 4 до
12 секунд. Таким образом, у обзорной РЛС появляется дополнительное ограниче-
ние, связанное с необходимостью просмотреть пространственную зону за время
ts. Период обзора ts равен t0·( / 0), где t0 = n/fp и 0 — пространственная ширина
луча антенны (стерадианы), связанная с коэффициентом усиления антенны G
приближенным соотношением G = 4 / 0. Заменяя n/fp в (1.5) эквивалентным вы-
ражением 4 ts/G , получим уравнение радиолокации для обзорной РЛС
R
P A E n F
kT F S N L
e i t
n s
s
max
( )
( ) ( / )
4
4
2
4 0 1
av
. (1.6)
Разработчик РЛС имеет небольшое влияние на выбор времени обзора ts и размера
зоны обзора , которые определены главным образом задачами, выполняемыми
РЛС. Эффективная площадь отражения также определена назначением РЛС. Если
к обзорной РЛС предъявляется требование большой дальности действия, то у
такой РЛС должна быть достаточно большая величина произведения Pav·Ae
1. По-
этому общим показателем возможностей обзорной РЛС является энергетическо-
апертурный коэффициент. Заметим, что рабочая частота не присутствует явно в
уравнении обзорной РЛС. Выбор частоты, однако, будет сделан неявно другими
способами.
Подобно тому, как уравнение радиолокации для обзорной РЛС отличается от
общепринятой формы уравнения (1.5) или простой формы (1.2), каждый особенный
тип радиолокаторов, вообще говоря, должен использовать уравнение радиолока-
ции, скроенное по типу этого локатора. Если мешающие отражения от земли, моря
или атмосферных объектов превышают шум приемника, уравнение радиолокации
должно быть модифицировано так, чтобы учесть помехи, мешающие обнаружению
в большей степени, чем шум приемника. Может сложиться ситуация, при которой
возможности обнаружения целей в одной области действия РЛС ограничиваются
пассивной помехой, а в другой — собственным шумом приемника. В этих условиях
могут существовать два набора характеристик РЛС: один — оптимизированный для
шума и другой — оптимизированный для помехи. Тогда при выборе технических
параметров РЛС разработчику приходится идти, как это всегда бывает, на компро-
миссные решения. Совсем другой вид уравнение радиолокации принимает, когда
дальность действия РЛС ограничена радиопротиводействием противника.
1.5. Диапазоны рабочих частот
и их буквенные обозначения
Не всегда удобно указывать точные числовые границы частотного диапазона, в ко-
тором работает та или иная РЛС. Для многих РЛС военного назначения точное
значение рабочей частоты обычно не раскрывается. Таким образом, использова-
ние буквенных обозначений диапазонов частот, в которых работают радиолокато-
ры, оказывается очень полезным. ИИЭР — Институт инженеров по электротехни-
ке и радиоэлектронике, IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineers,
официально стандартизировал буквенные обозначения радиолокационных диапа-
зонов волн (частот), которые приведены в табл. 1.1.
Таким образом, радиолокатор L-диапазона может работать только в пределах
полосы частот от 1215 до 1400 МГц, и даже в пределах этой полосы могут быть
ограничения. Некоторые из выделенных ITU диапазонов ограничены в использо-
вании, например, полоса частот между 4,2 и 4,4 ГГц зарезервирована (с несколь-
кими исключениями) для авиационных бортовых радиовысотомеров. Нет никаких
частот, официально выделенных ITU для радиолокации, в HF-диапазоне, но боль-
шинство HF-радиолокаторов делит частоты с другими радиосистемами. Буквенное
обозначение диапазона миллиметровых волн для радиолокаторов — mm, и есть
несколько частотных полос, выделенных радиолокационным системам в этой об-
ласти, но они не указаны в таблице. Хотя официальные границы диапазона мил-
лиметровых волн, установленные ITU, — от 30 до 300 ГГц, в действительности
технические решения РЛС Ka-диапазона* ближе к технологиям микроволновых
частот, чем к технологиям W-диапазона. Специалисты, работающие с радиолока-
ционной техникой миллиметровых волн, часто рассматривают этот частотный
диапазон как имеющий нижнюю границу 40 ГГц, а не «законную» нижнюю гра-
ницу 30 ГГц с учетом значительной разницы в технологиях и областях при-
менения радиолокаторов микроволнового и миллиметрового диапазонов. Поня-
тие «микроволны» не было определено этим стандартом, но этот термин вообще
относится к РЛС, которые работают на частотах от УВЧ до Ka. Есть причина,
по которой буквенные обозначения диапазонов оказались малознакомыми инже-
нерам нерадиолокационного профиля. Она состоит в том, что эти обозначения
были первоначально использованы для описания рабочих частот радиолокаторов
периода Второй мировой войны. Секретность того времени требовала, чтобы соот-
ветствие буквенных обозначений и реальных диапазонов частот, на которых рабо-
тали РЛС, было известно только узким специалистам. У инженеров, работающих
в области радиолокации, редко возникают трудности с использованием буквенных
обозначений радиолокационных диапазонов.
Для обозначения других диапазонов электромагнитных волн используются
другие буквы латинского алфавита, но эти диапазоны малопригодны для радиоло-
кационных приложений, поэтому соответствующие обозначения никогда не ис-
пользовались в радиолокационной практике. Одна из систем условных обозначе-
ний диапазонов радиоволн использует буквы A, B, C и т.д. Эта система была
первоначально разработана для частотных диапазонов систем радиоэлектронного
подавления [7]. Упомянутый ранее стандарт IEEE отмечает, что эти обозначения
«несовместимы с радиолокационной практикой и не должны использоваться для
описания диапазонов рабочих частот радиолокаторов». Таким образом, может су-
ществовать станция помех D-диапазона, но не может быть РЛС D-диапазона
1.6. Влияние рабочей частоты радиолокатора
на его характеристики
Диапазон рабочих частот известных к настоящему времени радиолокаторов про-
стирается от 2 МГц (только немного выше диапазона AM-радиовещания) до не-
скольких сотен гигагерц (область миллиметровых волн). Однако чаще частоты
РЛС лежат в интервале от 5 МГц до 95 ГГц, редко выше. Это очень широкая об-
ласть частот, и, следовательно, нужно ожидать, что технические решения, исполь-
зуемые в РЛС, их характеристики и сфера применения значительно меняются в
зависимости от частотного диапазона, в котором эта РЛС работает. У РЛС каждо-
го конкретного диапазона обычно имеются определенные свойства и характерис-
тики, отличающие его от РЛС других диапазонов частот. Вообще большую даль-
ность действия легче получить на более низких частотах, потому что проще
создать мощные передатчики и физически большие антенны более низких частот.
С другой стороны, на более высоких частотах легче достичь большей точности
измерений дальности и других координат, потому что более высокие частоты
предоставляют более широкую полосу для размещения спектра сигнала, ширина
ность по дальности. На высоких частотах также проще создать остронаправленную
антенну при ограниченных физических размерах самой антенны, поскольку угло-
вая точность и угловое разрешение определяются отношением длины волны к
размеру антенны. Далее кратко описаны практические применения радиолока-
ционных систем в зависимости от используемого диапазона частот. Различия в ис-
пользовании смежных диапазонов, однако, редко оказываются принципиальными,
поэтому возможно перекрытие в характеристиках РЛС, относящихся к смежным
диапазонам частот.
HF (ВЧ)1 (3—30 МГц). Основным назначением РЛС ВЧ-диапазона (глава 20)
является обнаружение целей на очень больших дальностях (до 2000 морских миль)
с использованием явления отражения ВЧ-радиоволны от ионосферы, находящей-
ся высоко над поверхностью Земли. Радиолюбители называют это явление корот-
коволновым распространением и используют для общения на больших расстояниях.
Целями для РЛС ВЧ-диапазона могут быть самолеты, суда, баллистические раке-
ты, а также отражения от самой морской поверхности, которые несут информа-
цию о направлении и скорости ветра, создающего волнение моря.
VHF (ОВЧ) (30—300 МГц). В начальный период появления радиолокаторов
в 1930-х годах РЛС работали в этой полосе частот, потому что эти частоты пред-
ставляли границу возможностей радиотехники того периода. Это подходящая час-
тота для дальнего обзора воздушного пространства или обнаружения баллистиче-
ских ракет. На этих частотах коэффициент отражения от поверхности может быть
очень большим, особенно от поверхности воды. В результате интерференции пря-
мого и поверхностного отраженного сигналов в случае их синфазного сложения
значительно возрастает дальность действия РЛС ОВЧ-диапазона. Иногда этот эф-
фект может почти удвоить дальность действия РЛС. Однако если есть усиливаю-
щая интерференция, которая увеличивает дальность, то должна существовать и
ослабляющая интерференция, уменьшающая дальность обнаружения почти до
нуля вдоль некоторых направлений диаграммы излучения антенны в вертикальной
плоскости. Ослабляющее взаимодействие прямого и отраженного сигналов может
привести к уменьшению дальности действия целей, наблюдаемых под малыми уг-
лами к поверхности. Наблюдаемость движущихся целей на фоне пассивных помех
часто лучше при более низких рабочих частотах, если в РЛС используется допле-
ровская фильтрация, потому что неоднозначность по частоте Доплера, вызываю-
щая слепые скорости, проявляется на низких частотах в гораздо меньшей степени.
Радиолокаторам ОВЧ-диапазона не мешают отражения от дождя, но на них могут
влиять многократные отражения от метеорной ионизации и полярного сияния.
Эффективная площадь отражения самолетов в ОВЧ-диапазоне вообще больше,
чем на более высоких частотах. РЛС этого диапазона часто дешевле по сравнению
с радиолокаторами такой же дальности действия, работающими на более высоких
частотах.
Хотя ОВЧ-диапазон имеет много достоинств при использовании в системах
дальнего обнаружения, у него есть и некоторые серьезные недостатки. Ранее были
упомянуты глубокие провалы диаграммы излучения антенны РЛС в вертикальной
плоскости, в том числе при малых углах места. Области спектра, доступные РЛС
ОВЧ, достаточно узки, в результате — низкая разрешающая способность по даль-
ности. Ширина луча антенны обычно более широкая, чем на микроволновых
частотах, и, как следствие, — плохое угловое разрешение и невысокая точность уг-
ловых измерений. Диапазон ОВЧ2 переполнен важными гражданскими потребите-
лями частотных ресурсов, такими как телевидение и ЧМ-радиовещание, дополни-
тельно снижающими доступность спектра для радиолокационных применений.
Уровень внешнего шума, воздействующего на РЛС через антенну, в ОВЧ-диапазо-
не выше, чем на микроволновых частотах. Возможно, главное ограничение воз-
можностей радиолокаторов в диапазоне ОВЧ — трудность получения достаточно
широкой полосы спектра на этих переполненных частотах.
Несмотря на упомянутые ограничения, РЛС обзора воздушного пространства
ОВЧ-диапазона широко использовались в Советском Союзе, потому что это была
большая страна и более низкая стоимость РЛС данного диапазона делала их пред-
почтительными для обеспечения обзора ее большого воздушного пространства [8].
Сообщалось, что в СССР было выпущено большое количество обзорных РЛС
ОВЧ-диапазона. Некоторые из них имели очень большие размеры и большую
дальность, и большинство было транспортабельно. Интересно отметить, что бор-
товые РЛС перехвата воздушных целей широко использовались немцами во Вто-
рой мировой войне. Например, бортовой радиолокатор Lichtenstein SN-2 работал
на частотах приблизительно от 60 МГц до более чем 100 МГц, в различных моди-
фикациях. РЛС этих частот не были подвержены помехам, создаваемым так назы-
ваемыми дипольными отражателями или чаф (также известными как уиндоу1).
УВЧ (300—1000 МГц). Многие из характеристик радиолокаторов, работающих
в диапазоне ОВЧ, в некоторой степени применимы также к РЛС диапазона УВЧ.
Частоты УВЧ-диапазона хорошо подходят для работы бортовых систем селекции
движущихся целей (БСДЦ, AMTI — Airborne Moving Target Indication)2 в авиаци-
онных РЛС раннего предупреждения о нападении, как отмечается в главе 3. Этот
диапазон удобен также для РЛС большого радиуса действия, предназначенных для
слежения за спутниками и баллистическими ракетами. В верхней части этого диа-
пазона располагаются частоты корабельных РЛС обзора воздушного пространства
на больших дальностях, а также частоты радиолокаторов, называемых виндпрофай-
лерами, которые измеряют скорость и направление ветра.
Радиолокатор подповерхностного зондирования (земли) (GPR — Ground Penetrating
Radar), описанный в главе 21, является примером того, что называют
сверхширокополосными UWB3 радиолокационными системами. Полоса частот
сигналов GPR иногда охватывает диапазоны ОВЧ и УВЧ. Ширина спектра сиг-
налов и приемного тракта такой РЛС может простираться, например, от 50 до
500 МГц. Широкая полоса пропускания необходима, чтобы получить высокую
разрешающую способность по дальности. Более низкие частоты необходимы, что-
бы позволить электромагнитной энергии распространяться в грунте. Даже в этом
случае потери мощности сигнала при распространении в толще земли настолько
высоки, что дальность действия простого мобильного GPR составляет только не-
сколько метров. Такие дальности оказываются достаточными для обнаружения
подземных кабелей электропередач и трубопроводов и других зарытых в землю
предметов. РЛС, предназначенная для обнаружения целей, расположенных на по-
верхности земли, но под листвой деревьев, должна иметь частоты, аналогичные
частотам GPR.
L диапазон (1,0—2,0 ГГц). Это предпочтительная полоса частот для работы
дальних (до 200 морских миль) РЛС обзора воздушного пространства. Хорошим
примером такого радиолокатора является РЛС управления воздушным движением
большого радиуса действия. Поскольку частоты этого диапазона выше, чем у опи-
санных ранее, эффект дождя начинает сказываться на рабочих характеристиках
радиолокатора. Таким образом, проектировщику РЛС, возможно, придется побес-
покоиться об ослаблении эффекта дождя в L-диапазоне и на более высоких часто-
тах. Этот диапазон хорошо подходит для дальнего обнаружения спутников и меж-
континентальных баллистических ракет.
S диапазон (2,0—4,0 ГГц). Радиолокаторы управления воздушным движением
в районе аэропорта — это РЛС S-диапазона волн. Их радиус действия обычно
составляет 50—60 морских миль. В S-диапазоне возможно создание трехкоорди-
натного радиолокатора, определяющего дальность, азимут и угол места цели.
Как было отмечено ранее, для дальнего обзора пространства лучше подходят
низкие частоты, а для точного измерения координат — высокие. Если для реше-
ния обеих задач используется один и тот же радиолокатор, работающий в полосе
одного диапазона, то S-диапазон — хороший компромисс. Иногда также допусти-
мо использовать C-диапазон для РЛС, выполняющей обе функции. Обзорный
радиолокатор авиационного комплекса (AWACS — Airborne Warning and Control
System) — системы раннего предупреждения и управления — также работает
в S-диапазоне. Обычно большинство радиолокационных систем работают в той
полосе частот, в которой их рабочие характеристики оптимальны. Однако упомя-
нутый радиолокатор системы AWACS — это РЛС S-диапазона, а аналогичный ра-
диолокатор авиационной системы раннего предупреждения E2 AEW Военно-мор-
ского флота США — РЛС УВЧ-диапазона. Несмотря на значительную разность в
частотах, известно, что у обеих РЛС сопоставимые рабочие характеристики [9].
Это исключение из общего правила относительно выбора оптимальной частоты
для каждого конкретного радиолокационного приложения.
Метеорологический радиолокатор Nexrad также работает в S-диапазоне. Это
хорошая частота для наблюдения за погодой, потому что на более низкой частоте
отражения от дождя были бы намного слабее, так как мощность отраженного от
дождевых капель сигнала изменяется пропорционально четвертой степени часто-
ты. Выбор более высокой частоты привел бы к ослаблению радиоволны, распро-
страняющейся сквозь потоки дождя, и точное измерение интенсивности дождевых
осадков было бы проблематично. Существуют метеорологические РЛС, работаю-
щие на более высоких частотах, но они обычно имеют меньшую дальность, чем
Nexrad, и используются для решения более частных задач по сравнению с комп-
лексом точных метеорологических измерений, выполняемых Nexrad.
C диапазон (4,0—8,0 ГГц). Эта полоса частот находится между S- и X-диа-
пазонами и имеет промежуточные свойства по отношению к свойствам этих диа-
пазонов. Поскольку у этого диапазона нет собственных специфических особен-
ностей, часто выбор разработчиков склоняется в пользу S- или X-диапазонов,
хотя в прошлом в C-диапазоне существовали важные радиолокационные прило-
жения.
X диапазон (8,0—12,0 ГГц). Это самый распространенный радиолокационный
диапазон для военных применений. Он широко используется в военных борто-
вых РЛС на самолетах-перехватчиках, истребителях и штурмовиках, атакующих
наземные цели, как описано в главе 5. Он также часто используется в РЛС кар-
тографирования с синтезированной апертурой и в РЛС с инверсной синтезиро-
ванной апертурой. X-диапазон — подходящая частота для гражданских морских
радиолокаторов, бортовых метео-РЛС обнаружения грозовых фронтов, бортовых
доплеровских метео-РЛС и полицейских радаров измерения скорости. Системы
радиолокационного наведения ракет иногда работают в X-диапазоне. Радиолока-
торы X-диапазона имеют вообще небольшой размер и поэтому представляют ин-
терес для приложений, где важны мобильность и малый вес, а очень большая
дальность действия не является важным требованием. Относительно широкая
полоса частот, доступная в X-диапазоне, и возможность получить узкую ширину
луча у относительно малых антенн — важные свойства для приложений, требую-
щих высокой разрешающей способности. Из-за высокой частоты X-диапазона
дождь может стать серьезной причиной ухудшения рабочих характеристик сис-
тем этого диапазона.
Ku, K и Ка диапазоны (12,0—40 ГГц). Поскольку каждый из рассматриваемых
нами диапазонов имеет более высокую частоту, чем предыдущий, то, соответст-
венно, уменьшаются физические размеры антенн и становится все труднее ге-
нерировать большую мощность излучения. Таким образом, дальность действия
радиолокаторов на частотах, более высоких, чем X-диапазон, обычно меньше, чем
в X-диапазоне. Военные бортовые РЛС Ku-диапазона нашли свое применение на-
ряду с аналогичными локаторами X-диапазона. Эти частотные области являются
предпочтительными, когда к РЛС предъявляются требования малого размера,
но не требуется большая дальность действия. РЛС обзора летного поля, кото-
рые обычно устанавливаются на вышке здания диспетчерского пункта больших
аэропортов, работают в Ku-диапазоне прежде всего из-за лучшего пространствен-
ного разрешения, чем в X-диапазоне. В исходном K-диапазоне имеется линия по-
глощения водяных паров 22,2 ГГц, вызывающая ослабление, которое может быть
серьезной проблемой в некоторых приложениях. Это обстоятельство было выявле-
но в начальный период разработки радиолокаторов K-диапазона во время Второй
мировой войны и явилось причиной, по которой позже были введены Ku- и Ka-
диапазоны. Сильные отражения сигналов от дождя могут ограничить возможности
радиолокаторов на этих частотах.
Миллиметровые волны. Хотя эта частотная область имеет очень большую ши-
рину, основной интерес для миллиметровой радиолокации представляют частоты
вблизи 94 ГГц, где существует минимум ослабления радиоволны атмосферой, на-
зываемый окном. Окно — область малого затухания относительно соседних частот.
Окно вблизи 94 ГГц столь же широко, как весь микроволновый диапазон. Как
было отмечено ранее, для радиолокационных применений область миллиметровых
волн практически начинается с 40 ГГц или даже с еще более высоких частот. Тех-
ника радиолокации миллиметровых волн и эффекты распространения в окружаю-
щей среде не просто отличаются от техники и эффектов микроволнового диапазо-
на — они намного более ограничены внешними факторами. В отличие от
микроволнового миллиметровый радиосигнал может сильно ослабляться, распро-
страняясь в прозрачной для глаза атмосфере. Степень ослабления изменяется
в пределах области миллиметровых волн. Ослабление в окне 94 ГГц фактически
более высокое, чем ослабление внутри атмосферной спектральной линии погло-
щения водяного пара на 22,2 ГГц. Ослабление сигнала при его распространении
в одном направлении на частоте поглощения кислорода 60 ГГц составляет при-
близительно 12 дБ на километр, что по существу делает невозможным использова-
ние этой частоты радиолокаторами. Ослабление в дожде может быть также серьез-
ным ограничением области миллиметровых волн.
Интерес к миллиметровым РЛС возник главным образом из-за стремлений
разработчиков ответить на те вызовы, которые миллиметровый диапазон поставил
перед инженерным сообществом, и их желания получить от его использования
практическую пользу. Главное достоинство диапазона — возможность использо-
вать сигналы с широкой полосой и, как следствие, высокая разрешающая способ-
ность РЛС по дальности и узкая ширина луча при небольших размерах антенны.
Среди прочих достоинств — трудность использования противником средств элект-
ронного подавления и повышенная сложность перехвата частоты работающего пе-
редатчика по сравнению с более низкими частотами. В прошлом передатчики
миллиметровых волн имели среднюю мощность, не превышающую нескольких
сотен ватт, а обычно их мощность была намного меньше. Успехи в разработке ги-
ротронов (глава 10) могут увеличить среднюю мощность передатчиков на несколь-
ко порядков относительно мощности типовых источников энергии миллиметро-
вого излучения. Таким образом, требование большой мощности по отношению
к миллиметровой РЛС уже не является ограничением, как это было ранее.
Лазерный локатор. Лазеры могут генерировать достаточно высокую полезную
мощность в диапазоне оптических частот и в инфракрасной области спектра.
Лазерным локаторам доступна широкая полоса спектра (работа очень короткими
импульсами) и очень узкая ширина луча. Апертура антенны, напротив, намного
меньше, чем в микроволновом диапазоне. Ослабление лазерного излучения в
атмосфере и дожде очень высоко, и рабочие характеристики в сложных метеоро-
логических условиях сильно ограничены. Шум приемника определяется главным
образом квантовыми эффектами, а не тепловым шумом. По многим причинам ла-
зерные локаторы получили ограниченное применение.
1.7. Номенклатура радиолокаторов США
Каждый вид военного электронного оборудования США, включая РЛС, имеет
условное обозначение в соответствии с Объединенной системой обозначений ти-
пов электроники JETDS (Joint Electronics Type Designation System), утвержденной
стандартом MIL-STD-196D. Буквенная часть обозначения состоит из букв AN,
наклонной черты и трех дополнительных букв, специально подобранных для
указания места установки оборудования, типа оборудования и его назначения.
После трех букв стоит тире и число. Число означает номер конкретного образца
оборудования, последовательно увеличивающийся для каждой отдельной комби-
нации букв. В табл. 1.2 приведены буквенные обозначения, относящиеся к радио-
локационным системам.
За основным обозначением следует буква суффикса (A, B, C...), отражающая
модификацию оборудования при условии сохранения взаимозаменяемости. Буква
V в скобках, добавленная к обозначению, указывает на системы с изменяемыми
характеристиками, функции которых могут различаться в связи с добавлением или
удалением частей, блоков, узлов или их комбинаций. Если вслед за основным
обозначением следует тире, буква T и номер, то оборудование предназначено для
обучения. Кроме Соединенных Штатов эти обозначения могут также использо-
ваться Канадой, Австралией, Новой Зеландией и Великобританией. Специальные
группы номеров зарезервированы для этих стран. Дополнительная информация об
обозначениях может быть найдена в стандарте MIL-STD-196D.
Федеральное авиационное агентство США использует следующие обозначения
для РЛС управления воздушным движением:
• ASR (Airport Surveillance Radar) — аэродромная обзорная РЛС управления воз-
душным движением (УВД);
• ARSR (Air Route Surveillance Radar) — трассовая обзорная РЛС УВД;
• ASDE (Airport Surface Detection Equipment) — радиолокационное оборудование
обзора летного поля;
• TDWR (Terminal Doppler Weather Radar) — аэроузловой доплеровский метеоро-
логический радиолокатор.
Цифры, стоящие после буквенного обозначения, указывают порядковый но-
мер разработки радиолокатора.
Метеорологические РЛС, разработанные Метеорологической службой США
(NOAA — National Oceanic and Atmospheric Administration), обозначаются как WSR
(WSR — Weather Surveillance Radar). Номер после обозначения — год начала экс-
плуатации РЛС. Таким образом, WSR-88D — доплеровский радиолокатор Nexrad,
введенный в эксплуатацию в 1988 году. Буква D указывает, что это доплеровская
метеорологическая РЛС.
1.8. Основные достижения радиолокации в ХХ веке
Приведем краткий перечень основных достижений в области радиолокационной
техники и функциональных возможностей РЛС двадцатого века. Перечень приво-
дится в хронологическом, хотя и нестрогом порядке.
• Разработка радиолокаторов ОВЧ-диапазона наземного, корабельного и авиаци-
онного базирования для целей противовоздушной обороны в предшествующие
годы и в течение Второй мировой войны.
• Изобретение магнетрона микроволнового диапазона и освоение техники волно-
водов в начале Второй мировой войны, позволивших создать РЛС микроволно-
вого диапазона, обладавших значительно меньшими размерами и большей мо-
бильностью.
• Разработка более ста различных моделей РЛС в лаборатории исследования излу-
чений Массачусетского технологического института за пять лет ее существова-
ния во время Второй мировой войны, заложившая основы техники микровол-
новых РЛС.
• Теория радиолокационного обнаружения Маркума.
• Изобретение и разработка усилителей на клистронах и ЛБВ, обеспечивших
большую мощность наряду с хорошей стабильностью.
• Использование доплеровского сдвига частоты для обнаружения сигналов от
движущихся целей на фоне мешающих отражений существенно большей интен-
сивности.
• Разработка РЛС для управления воздушным движением.
• Технология сжатия сложных сигналов.
• Разработка моноимпульсной РЛС сопровождения с высокой точностью слеже-
ния и лучшей устойчивостью к мерам радиоэлектронного противодействия, чем
предшествующие РЛС сопровождения.
• РЛС с синтезированной апертурой, обеспечивающая получение подробных
изображений поверхности Земли и расположенных на ней объектов.
• Бортовая РЛС обзора с системой СДЦ, позволяющая обнаруживать цели на
больших дальностях и следить за ними при наличии пассивных помех.
• Стабильные компоненты и подсистемы, а также антенны с очень низким уров-
нем боковых лепестков, позволившие создать импульсно-доплеровские РЛС
режима ВЧП (используемые в системе AWACS) с эффективным подавлением
пассивных помех.
• Загоризонтная РЛС декаметрового диапазона, увеличившая на порядок даль-
ность обнаружения самолетов и судов.
• Цифровая обработка, появившаяся в начале 1970-х годов, оказавшая очень
существенное влияние на улучшение характеристик РЛС.
• Автоматическое обнаружение и слежение в обзорных РЛС.
• Серийное производство РЛС с фазированными антенными решетками с элект-
ронным управлением лучом.
• РЛС с инверсной синтезированной апертурой (ИРСА), которая обеспечивает
разрешение, необходимое для распознавания типов судов.
• Доплеровская метеорологическая РЛС.
• РЛС космического базирования, предназначенные для локации планет, таких
как Венера.
• Точное компьютерное вычисление эффективной площади отражения сложных
целей.
• Многофункциональная бортовая военная РЛС, имеющая относительно малые раз-
меры и небольшой вес, располагающаяся в носовой части самолета-истребителя
и способная выполнять большое количество различных функций в режимах воз-
дух — воздух и воздух — поверхность.
Какие из достижений в области радиолокации являются более важными — все-
гда спорный вопрос. Кто-то мог бы составить другой список. Не все существенные
достижения в области радиолокации были включены в приведенный перечень. Он,
возможно, был бы намного длиннее и, возможно, включал бы множество примеров,
относящихся к тематике каждой из других глав этой книги. Однако и этот список
в достаточной мере отражает характер достижений, которые были важны для улуч-
шения характеристик РЛС.
1.9. Применения радиолокации
Военные применения. Радиолокатор был изобретен в 1930-х годах, что было
обусловлено необходимостью защиты от тяжелых военных бомбардировщиков.
Радиолокаторы предназначались прежде всего для военного применения, ставше-
го, вероятно, самой важной областью их использования и стимулом большинства
усовершенствований, которые в дальнейшем нашли применение и в граждан-
ских РЛС.
Основным назначением военных радиолокаторов наземного, морского и
авиационного базирования стала противовоздушная оборона (ПВО). Без исполь-
зования РЛС успешное осуществление ПВО было практически невозможно. РЛС
ПВО используются для обзора воздушного пространства на больших дальностях,
обнаружения на близких расстояниях низколетящих целей, внезапно появляю-
щихся из-за возвышенностей, для управления оружием, наведения ракет, опо-
знавания по данным запроса и распознавания типа целей и для оценки потерь,
причиненных боевыми действиями. Дистанционный радиовзрыватель во многих
видах оружия также является примером радиолокатора. Отличным критерием
успеха РЛС ПВО являются большие суммы денег, которые были потрачены на
методы снижения эффективности таких радиолокаторов. Они включают радио-
электронное подавление и другие аспекты радиоэлектронной борьбы, противо-
радиолокационные ракеты, наводящиеся на средства ПВО, самолеты и суда с
малой ЭПО. РЛС также используются военными для разведки, наведения ору-
жия на наземные или морские цели и для обзора пространства над поверхно-
стью моря.
На поле боя от РЛС требуется выполнить функции обзора воздушного про-
странства (включая слежение за самолетами, вертолетами, ракетами и беспилот-
ными летательными аппаратами), управления оружием, перехвата воздушных це-
лей, определения местоположения оружия противника (минометов, артиллерии
и ракетных установок), обнаружения вторжений и управления воздушным дви-
жением.
Использование РЛС для защиты от баллистических ракет вызывает интерес со
времени появления угрозы от них в конце 1950-х годов. Большие дальности, высо-
кие сверхзвуковые скорости и сравнительно малый размер целей, какими являются
баллистические ракеты, создают серьезные проблемы для разработчиков РЛС.
В этом случае отсутствуют естественные мешающие отражения, как при защите от
воздушного нападения, но баллистические ракеты могут появиться при наличии
большого количества ложных целей и других контрмер, которые противник может
использовать, чтобы скрыть вход в атмосферу летательного аппарата, несущего бое-
головку. При защите от баллистических ракет более важной становится задача рас-
познавания, а не обнаружение и сопровождение. Необходимость предупреждения о
приближении баллистических ракет привела к появлению множества РЛС различ-
ных типов, выполняющих эту функцию. Аналогично были развернуты РЛС, пред-
назначенные для обнаружения и слежения за спутниками.
Родственной задачей для гражданских РЛС является обнаружение и перехват
воздушного наркотрафика. Есть несколько типов РЛС, выполняющих эту задачу,
включая загоризонтные РЛС декаметрового диапазона.
Дистанционное исследование окружающей среды. Основное применение в
этой категории находят метеорологические РЛС, такие как радиолокатор Nexrad,
результаты работы которого часто демонстрируют в телевизионных прогнозах по-
годы. Существуют также РЛС вертикального зондирования атмосферы, которые
определяют скорость ветра и его направление как функцию высоты, обнаруживая
очень слабое радиолокационное эхо от ясного неба. В районе аэропортов распола-
гаются метеорологические РЛС, использующие эффект Доплера (TDWR). Эти
РЛС способны предупреждать об опасном погодном эффекте, известном как сдвиг
ветра, который может сопровождать грозы. Обычно в носовой части как малых,
так и больших самолетов есть специально разработанный метеорологический ра-
диолокатор предупреждения о грозе и другой опасной погоде.
Другим примером РЛС, успешно применяемой для дистанционного зонди-
рования, является бортовой спутниковый высотомер, который измеряет форму
геоида (средний уровень моря, неодинаковый для разных районов земного шара)
в различных точках мирового океана с исключительно высокой точностью. В про-
шлом предпринимались попытки использования РЛС для определения влажности
почвы и для оценки состояния урожаев в сельском хозяйстве, но они не обеспечи-
вали удовлетворительную точность. Спутниковые или авиационные РЛС картогра-
фирования используются для оказания помощи судам в осуществлении навигации
в северных морях, покрытых льдом, так как РЛС может определить тип льда, ко-
торый легче преодолеть судну.
Управление воздушным движением. Высокий уровень безопасности современного
воздушного сообщения отчасти обеспечивается успешным применением РЛС для
эффективного, рационального и безопасного управления воздушным движением.
Большинство аэропортов используют наземные обзорные РЛС (ASR) для наблюде-
ния за воздушным движением в окрестностях аэропорта. Такие РЛС также предо-
ставляют информацию о погоде в близлежащих районах, что позволяет скорректи-
ровать курс самолета для предотвращения его попадания в плохие метеоусловия.
В больших аэропортах также имеется РЛС, называемая радиолокатором (оборудова-
нием) обзора летного поля (ASDE — Airport Surface Detection Equipment), который
используется для наблюдения и безопасного управления передвижением самолетов
и транспортных средств аэропорта на земле. Для управления воздушным движени-
ем на пути от одного аэропорта в другой во всем мире используются трассовые РЛС
дальнего радиуса действия (ARSR — Air Route Surveillance Radar). Система управле-
ния воздушным движением с радиоответчиками (ATCRBS — Air Traffic Control Radar
Beacon System) не является радиолокационной и используется для опознавания
самолетов во время полета1. Здесь используется технология, аналогичная радиоло-
кационной, и аппаратура опознавания, основанная на системе «свой—чужой»
(IFF), которая применяется в военной авиации.
Прочие применения. Очень большое значение имело использование радиоло-
кации для получения информации, которая не могла быть получена любыми
другими методами. Таким применением было исследование поверхности плане-
ты Венера с помощью РЛС картографирования, способной «видеть» изображе-
ние поверхности планеты, находящейся под постоянным облачным покровом.
Одной из самых широко используемых и наименее дорогих РЛС является граж-
данская судовая РЛС, применяемая во всем мире для осуществления безопасной
навигации больших и малых судов. Некоторые читатели, несомненно, сталкива-
лись с полицией на автомагистралях, использующей доплеровские РЛС непре-
рывного излучения для измерения скорости автомобиля. РЛС подповерхностно-
го зондирования используется, чтобы обнаружить подземные коммуникации,
а также полицейскими для нахождения закопанных предметов. Археологи ис-
пользуют ее, чтобы определить, где следует искать артефакты под землей. РЛС
оказывается полезной как для орнитологов, так и для энтомологов для лучшего
понимания перемещений птиц и насекомых. Было также продемонстрировано,
что РЛС может обнаружить просачивание газа, которое часто происходит над за-
лежами нефти и газа [10].
1.10. Концептуальный подход
к проектированию радиолокаторов
Существуют различные аспекты проектирования РЛС. Но прежде чем новая РЛС,
не существовавшая ранее, может быть создана, должна быть разработана концеп-
ция будущей системы, которая станет основой для последующего фактического
проектирования. Основой концепции проекта являются требования к РЛС, кото-
рые удовлетворят ее заказчика или эксплуатационщика. Результатом разработки
концепции проекта должно стать появление набора характеристик радиолокатора,
тех самых, что входят в основное уравнение радиолокации и связанные с ним
формулы, а также общих характеристик подсистем (передатчика, антенны, прием-
ника, устройств обработки сигналов и т.д.), которые должны быть реализованы.
Уравнение радиолокатора используется в качестве важного инструмента для ана-
лиза альтернатив и принятия сбалансированных решений разработчиком РЛС и
для выработки подходящей концепции, удовлетворяющей необходимым требова-
ниям. В этом разделе кратко описан подход к концептуальному проектированию
нового радиолокатора, которым может руководствоваться инженер-разработчик.
Не существует строго установленных процедур концептуального проектирования.
Каждая компания, разрабатывающая РЛС, и каждый инженер-разработчик выра-
батывают его или ее собственный стиль. То, что здесь описано, является кратким
изложением одного из подходов к концептуальному проектированию РЛС.
Общее руководство. Следует отметить, что существуют по крайней мере два
пути проектирования новой РЛС для некоторого конкретного применения. Один
из методов основан на использовании преимуществ какого-либо нового изобрете-
ния, нового технического решения, нового устройства или нового знания. В каче-
стве примера можно привести изобретение магнетрона в начале Второй мировой
войны. После появления магнетрона облик новых радиолокаторов стал отличаться
от предшественников. Другой и, вероятно, более общепринятый метод разработки
концепции РЛС должен начинаться с изучения задач, которые новый радиолока-
тор должен выполнять, исследовать различные пути, позволяющие достичь тре-
буемых показателей, тщательно оценить каждый из возможных путей и затем
выбрать тот, который лучше всего удовлетворяет требованиям заказчика и финан-
совым ограничениям. Короче говоря, разработка концепции могла бы состоять
из следующих шагов:
• Описание поставленных задач и требований, которые должны быть выполнены.
Это делается с точки зрения заказчика или пользователя радиолокатора.
• Взаимодействие между заказчиком и системным инженером.
Осуществляется в целях проработки альтернативных решений, о которых заказ-
чик мог не знать, но которые могли бы позволить получить лучший результат
без чрезмерного увеличения стоимости или риска. К сожалению, диалог между
потенциальным пользователем РЛС и системным инженером не всегда проис-
ходит на равных.
• Поиск и анализ возможных решений.
Этот этап включает осознание преимуществ и ограничений различных возмож-
ных решений.
• Выбор оптимального или близкого к оптимальному решений.
Во многих инженерных решениях оптимальное не означает наилучшее, так как
наилучшее может быть нереализуемым или недостижимым в данное время. Оп-
тимальное, как здесь принято, означает наилучшее с учетом ряда имеющихся
ограничений. Инженерная разработка часто завершается достижением почти
оптимального, но не оптимального решения. Выбор предпочтительного реше-
ния должен быть основан на строго определенном критерии.
• Детализированное описание выбранного подхода.
На этом этапе конкретизируются характеристики РЛС и тип подсистем, входя-
щих в ее состав.
• Анализ и оценка предлагаемого проекта.
Это делается для проверки правильности выбранного метода
Включившись в этот процесс, можно зайти в тупик и снова начинать с нуля,
иногда не раз. Необходимость снова начинать с нуля не является чем-то необыч-
ным в процессе новой разработки.
Для разработки проекта РЛС невозможно предложить однозначный набор ин-
струкций. Если бы это было возможно, то проект радиолокатора мог бы полно-
стью быть выполнен компьютером. Так как обычно полная информация отсутст-
вует, то для успешного завершения большинству инженерных разработок в
определенный момент требуются независимая оценка и экспериментальная про-
верка.
Уравнение радиолокатора в концепции проекта. Уравнение радиолокатора слу-
жит основой при разработке концепции проекта РЛС. Некоторые параметры
этого уравнения определяются функциями, которые радиолокатор должен вы-
полнять. Другие могут быть в одностороннем порядке выбраны заказчиком, но
это должно быть сделано с осторожностью. Именно заказчик обычно определяет
тип целей и особенности окружающей обстановки, в которой работает радиоло-
катор, ограничения на размер и вес, форму представления радиолокационной
информации и любые другие накладываемые ограничения. Эти сведения исполь-
зуются инженером — разработчиком РЛС для определения эффективной площа-
ди отражения цели, периода обзора, точности измерения дальности и угловых
координат, удовлетворяющих требованиям заказчика. На некоторые параметры,
такие как коэффициент усиления антенны, могут оказывать влияние несколько
условий или требований. Например, на определение ширины луча антенны мо-
гут влиять точность слежения, требования по угловому разрешению целей, близ-
ко расположенных друг к другу, максимальный размер, который может иметь
антенна с учетом места установки РЛС, необходимость обеспечения требуемой
дальности действия радиолокатора и выбора его рабочей частоты. Частота, на
которой работает радиолокатор, обычно определяется многими параметрами,
включая допустимость использования определенного частотного диапазона.
Рабочая частота может быть последним из выбираемых параметров после того,
как были определены компромиссные значения других параметров.
Литература
1. IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, 4th Ed. New York: IEEE,
1988.
2. M. I. Skolnik, G. Linde, and K. Meads. Senrad: an advanced wideband air-surveillance
radar, IEEE Trans., vol. AES-37, pp. 1163—1175. October 2001.
3. M. I. Skolnik. Introduction to Radar Systems, New York: McGraw-Hill, 2001, Fig. 2.6.
4. F. E. Nathanson. Radar Design Principles, New York: McGraw-Hill, 1991. Fig. 2.2.
5. IEEE Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands, IEEE Std. 521—2002.
6. Описание радиолокационных диапазонов частот можно найти в «FCC Online Table
of Frequency Allocations», 47 C.F.R. § 2.106.
7. Performing electronic countermeasures in the United States and Canada, U.S. Navy
OPNAVINST 3430.9B, October 27, 1969. Similar versions issued by the U.S. Air Force,
AFR 55-44; U.S. Army, AR 105-86; and U.S. Marine Corps, MCO 3430.1.
8. A. Zachepitsky, VHF (metric band) radars from Nizhny Novgorod Research Radiotechnical
Institute, IEEE AES Systems Magazine, vol. 15, pp. 9—14, June 2000.
9. Anonymous, AWACS vs. E2C battle a standoff, EW Magazine, p. 31, May/June 1976.
10.M. Skolnik, D. Hemenway, and J. P. Hansen. Radar detection of gas seepage associated
with oil and gas deposits, IEEE Trans, vol. GRS-30, pp. 630—633. May 1992.ГЛАВА 14
Эффективная площадь рассеяния
Юджин Ф. Нотт
Компания Tomorrow's Research, США
(Книга 2)
14.1. Введение
Радиолокационная система обнаруживает и отслеживает цели, а в некоторых слу-
чаях способна идентифицировать их, но только при наличии сигнала, отраженно-
го от цели (рассеянного целью). Таким образом, решающее значение при проек-
тировании и эксплуатации РЛС имеет возможность количественного или
качественного описания сигнала, рассеянного целью, особенно в отношении та-
ких ее характеристик, как размер, форма и условия наблюдения (ракурс). Для
описания отражательной способности цели используют такую ее характеристи-
ку, как эффективная площадь рассеяния (ЭПР) энергии зондирующего сигнала.
ЭПР представляет собой площадь проекции металлической сферы, которая рассе-
ивает (отражает) такой же сигнал, как и цель, если цель заменить сферой1.
Однако в отличие от рассеяния излучения сферой, которое не зависит от угла
обзора, рассеяния другими телами, кроме имеющих самую простую форму, суще-
ственно различаются в зависимости от изменения их ракурса. Как будет показано
ниже, эти изменения могут быть достаточно быстрыми, особенно для целей, ха-
рактерный размер которых составляет несколько длин волн.
Характеристики рассеянного излучения в большой степени зависят от размера
цели и радиолокационных характеристик (отражающих свойств) ее поверхности.
Изменения энергии отраженного сигнала малы для электрически малых объектов
(характерный размер которых меньше или равен длине волны), так как падающая
волна в этом случае слишком велика по длине и практически огибает цель, не от-
ражаясь. С другой стороны, плоские поверхности, имеющие кривизну первого и
второго порядка электрически больших целей (характерный размер которых много
больше длины волны зондирующих колебаний), имеют разные характеристики
рассеяния. Элементы цели, создающие многократные отражения, такие как возду-
хозаборники и выходные трубы реактивного двигателя, как правило, создают зна-
чительное рассеяние, как и задние края профилей самолета.
Эффективная площадь рассеяния тел простой формы может быть точно вы-
числена путем решения волнового уравнения в системе координат, связанных с
поверхностью тела. Точное решение требует, чтобы электрическое и магнитное
поля только внутри и в непосредственной близости от поверхности объекта удов-
летворяли определенным условиям, зависящим от электромагнитных свойств ма-
териала, из которого изготовлена поверхность цели.
Хотя эти решения представляют собой интересную академическую задачу и
можно после некоторых исследований выявить механизмы рассеяния, играющие
важную роль, не существует известных практических объектов, которые полно-
стью отвечали бы данным решениям. Таким образом, точные решения волнового
уравнения в лучшем случае являются руководящими принципами для других
(приближенных) методов вычисления полей рассеяния.
Альтернативный подход состоит в решении интегральных уравнений, описы-
вающих распределение наведенных полей на поверхности цели. Самый полезный
подход к решению известен как метод моментов, в котором интегральные уравне-
ния сводятся к системе линейных однородных уравнений. Привлекательным в
этом методе является то, что протяженность поверхности тела представляется нео-
граниченной, что позволяет вычислить рассеяние реальных, на практике сущест-
вующих объектов. Другим преимуществом данного подхода является то, что для
решения могут быть использованы обычные методы решения (например обраще-
ние матрицы и исключения Гаусса). Этот метод ограничен объемом памяти
компьютера и временем выполнения, однако он больше подходит для объектов
размером несколько десятков длин волн.
Еще одной альтернативой этим точным решениям являются несколько при-
ближенных методов, которые могут применяться с достаточной точностью для
электрически больших элементов цели. Они включают в себя теорию геометриче-
ской и физической оптики, геометрическую и физическую теории дифракции и
метод эквивалентных токов. Эти приближения обсуждаются в разд. 14.3. Другие
приближенные методы здесь не рассматриваются, подробно они описаны в источ-
никах, приведенных в списке литературы в конце этой главы.
Инженер-практик не может полностью полагаться на прогнозы и расчеты и в
конечном итоге должен измерять характеристики рассеяния целей, представляю-
щих интерес. Это может быть сделано путем проведения натурных испытаний
объектов или на основе их масштабных моделей. Рассеяние радиоволн, вызванное
малыми целями, часто можно измерить в помещении, но характеристики рассея-
ния больших целей, как правило, должны быть измерены на открытом полигоне.
Характеристики типового контрольно-измерительного оборудования для тестиро-
вания целей в закрытых помещениях и на полигоне описаны в разд. 14.4.
Контроль характеристик рассеяния некоторых целей имеет жизненно важное
практическое значение, особенно для обеспечения снижения радиолокационной за-
метности (так называемая стелс-технология). Есть только два практических пути
уменьшения отражающей способности цели: за счет подбора соответствующей
формы ее конфигурации и использования поглощающих покрытий на ее поверх-
ности для существенного снижения энергии радиолокационных сигналов. Подбор
формы связан с выбором конструктивных особенностей поверхности цели, кото-
рый предполагает, что при облучении цели обратно к РЛС должно вернуться как
можно меньше энергии излученного сигнала. Поскольку конфигурацию цели
трудно изменить, когда она уже является готовым промышленным изделием, то
нужные параметры ее формы лучше всего реализовать на стадии определения кон-
цепции ее построения перед серийным производством, когда окончательные ре-
шения еще не приняты. Радиопоглощающие материалы поглощают энергию зон-
дирующих сигналов РЛС, снижая мощность, рассеиваемую целью в направлении
на радар (энергию отраженного сигнала). В то же время применение поглотителей
всегда дорого с точки зрения различного рода затрат на проектирование и обслу-
живание в течение срока эксплуатации при сокращении самой продолжитель-
ности эксплуатации. Эти два метода снижения энергии отраженного рассеяния
обсуждаются в разд. 14.5, там же рассмотрены конструкции четырех целей, снижа-
ющих радиолокационную заметность.
Основные источники рассеяния цели. На рис. 14.1 показаны основные источни-
ки рассеяния, которые могут быть найдены на типичной воздушной цели. Все они
в той или иной степени зависят от ракурса цели, под которым она видна радару.
Некоторые из них являются доминирующими источниками рассеяния излучения,
в то время как другие — слабыми. Не все представляют интерес для других видов
конструкций целей, таких как военные корабли или военные наземные транспорт-
ные средства. Мы кратко рассмотрим их в порядке убывания значимости.
Периодически появляющиеся структуры. Единственной периодически появляю-
щейся структурой гипотетической ракеты на рис. 14.1 является выхлопная труба в
задней части, однако каналы воздухозаборника реактивного двигателя ведут себя
подобным образом. Рассеяние от полостей, например воздухозаборных каналов,
выхлопной трубы и кабин, достаточно велики и, как правило, сохраняются при
больших ракурсах 45° или 60°. Это происходит потому, что большинство внутрен-
них поверхностей воздуховодов (например ступеней компрессора и турбины)
являются металлическими и любая радиолокационная волна, которая падает на
структуру, скорее всего отразится обратно к РЛС. Это также верно для внутренне-
го рассеяния внутри фонаря кабины.
Зеркальные рассеиватели. Зеркальным рассеиванием обладает любая поверх-
ность цели, которая ориентирована перпендикулярно к линии визирования рада-
ра. Плоские поверхности предполагают особенно большое рассеяние в зеркальном
направлении, но энергия отраженного сигнала резко падает при отклонении в
сторону от этого направления. Зеркальное рассеяние однократно и двукратно
изогнутыми поверхностями (цилиндрическими и сферическими) несколько ниже,
чем плоскими поверхностями, но они более стабильны при изменении ракурса.
Отраженные сигналы, обусловленные бегущей волной. Когда угол падения пред-
ставляет собой малый угол скольжения в сторону от поверхности, возможно появле-
ние поверхностной бегущей волны. Поверхностная волна обычно увеличивается в
направлении задней части объекта и, как правило, отражается обратно в направле-
нии передней части при любой неоднородности поверхности задней части объекта.
Отраженные сигналы, обусловленные бегущей волной, при малых углах скольжения
почти столь же значительны, как зеркальное рассеяние при нормальном падении.
Рассеяние (дифракция) на выступах, краях и кромках цели. Рассеяние от высту-
пов, краев и кромок является менее значительным, чем при зеркальном отраже-
нии и, таким образом, должно приниматься во внимание конструктором после
подавления большинства других источников рассеяния. Рассеяние от острых вы-
ступов и кромок поверхности цели является локализованным и имеет тенденцию
к увеличению пропорционально квадрату длины волны, а не размеру данной дета-
ли поверхности. Таким образом, оно становится все менее важным фактором при
повышении частоты радаров.
Неоднородности поверхности. Большинство корпусов летательных аппаратов
имеет щели и углубления там, где управляющие поверхности сопрягаются с непо-
движной конструкцией. Щели, углубления и даже заклепки могут рассеивать
энергию обратно к РЛС. Из-за небольшого размера эти источники рассеяния не
так легко выделить и локализовать.
Поверхностная волна. Поверхностная волна — это такая, которая образуется
при рассеянии гладкой затененной поверхностью, она проходит вокруг задней ча-
сти гладкого объекта, а затем излучается обратно к радару, когда появляется вновь
на границе тени на противоположной стороне цели. Как будет показано в следую-
щем разделе, поверхностная волна вызывает отраженные сигналы от небольших
сферических тел, которые меняются в зависимости от их размера. Этот источник
рассеяния также может присутствовать у других гладких тел, таких как ракета,
показанная на рис. 14.1. Поверхностная волна в качестве источника рассеяния ни-
когда не представляла большого значения для военных и гражданских целей.
Взаимодействие источников рассеяния. Относительно сильное рассеяние может
возникнуть, когда две поверхности цели ориентированы в направлении, благопри-
ятном для взаимного рассеяния, а затем для обратного рассеяния к РЛС, как это
происходит при взаимодействии рассеянного излучения между фюзеляжем и зад-
ней кромкой правого крыла (см. рис. 14.1). Похожие взаимодействия происходят
на целях типа «корабль», когда переборки, перила, мачты и другие поверхностные
части судна становятся отражающими посреди морской поверхности.
Как показано в следующем разделе, не все эти механизмы раскрываются в ха-
рактеристиках выбора простых и сложных целей.
14.2. Понятие мощности отраженного сигнала
Определение эффективной площади рассеяния. Объект, облученный падающей элект-
ромагнитной волной, рассеивает энергию данной волны во всех направлениях. Дан-
ное пространственное распределение энергии называется рассеянием, а сам объект
часто называют источником рассеяния (рассеивателем) или отражателем. Энергия,
рассеиваемая обратно к источнику волн (обратное рассеяние), представляет собой
отраженный радиолокационный сигнал от объекта. Интенсивность отраженного
сигнала зависит от эффективной площади рассеяния объекта. Для этого общеприз-
нанного понятия была и введена аббревиатура ЭПР. В первых работах на данную
тему приводились термины «площадь отражения»1 или «эффективная площадь», ко-
торые еще встречаются иногда в современной технической литературе.
Формально ЭПР определяется следующим соотношением:
lim
| |
R | |
R s
E
E
4 2
2
0
2
, (14.1)
где E0 — напряженность электрического поля падающей на цель волны, Es — на-
пряженность электрического поля волны, рассеянной обратно к радару. Вывод
выражения предполагает, что цель извлекает мощность из падающей волны, а за-
тем равномерно рассеивает ее мощность во всех направлениях. Хотя подавляющее
большинство целей рассеивает мощность далеко не равномерно во всех направле-
ниях, по определению, формально мощность рассеивается равномерно. Это по-
зволяет вычислить плотность потока рассеянной мощности на поверхности боль-
шого шара радиусом R, центр которого совпадает с центром рассеивающего
объекта. Как правило, R принимается равным расстоянию от РЛС до цели.
Символ у повсеместно принят в качестве обозначения ЭПР объекта, хотя внача-
ле это было совсем не так [2, 3]. ЭПР можно трактовать как площадь проекции
металлической сферы, размер которой достаточно велик по сравнению с длиной
волны и которая способна излучать обратно к РЛС идентично ту же мощность, что
и объект. В то же время ЭПР всех тел, кроме имеющих самую простую форму, силь-
но изменяется в зависимости от ракурса объекта, поэтому понятие эквивалентной
сферы подходит далеко не во всех случаях.
Предельный переход в формуле (14.1) не всегда является обязательным требова-
нием. При измерении и анализе принимается, что приемник и передатчик радара,
как правило, находятся в дальней зоне (см. разд. 14.4), а на таком расстоянии поле
рассеянного излучения Es убывает обратно пропорционально расстоянию R. Таким
образом, слагаемое R2 в числителе формулы (14.1) исключается аналогичным, но
неявным членом R2 в знаменателе. Следовательно, зависимость ЭПР от R, а также
необходимость назначения предела в этом случае исчезают.
Эффективная площадь рассеяния, следовательно, определяется отношением
плотности потока рассеянной мощности, действующей в точке приемника, к
плотности потока мощности излучения, падающего на цель. Одинаково справед-
ливо определение ЭПР по формуле (14.1), когда значения напряженности электрического поля в данном уравнении заменяются значениями напряженности маг-
нитного поля падающего и рассеянного излучения. Часто необходимо измерить
или рассчитать мощность, рассеянную в каком-то другом направлении, нежели
обратно к передатчику, например в бистатической ситуации (с разнесенными пе-
редатчиком и приемником). В этом случае бистатическая ЭПР может быть опре-
делена и для обратного рассеяния при условии, что расстояние R определяет уда-
ление цели от приемника. Рассеяние в направлении зондирования (рассеяние вперед)
является частным случаем бистатического рассеяния, при котором бистатический
угол составляет 180°, а нужное направление находится вдоль зоны тени позади
цели.
Тень сама по себе может рассматриваться как сумма двух полей почти равной
напряженности, но с разностью фаз 180°. Одним из них является падающее поле,
а другим — рассеянное поле. Формирование тени предполагает, что рассеяние
вперед достаточно велико, что справедливо для данной ситуации. Напряженность
поля позади цели вряд ли когда-нибудь точно равна нулю, однако некоторая часть
мощности обычно просачивается в зону тени благодаря дифракции на краях цели.
Примеры характеристик ЭПР. Для обсуждения радиолокационных свойств эф-
фективной площади рассеяния сначала рассмотрим цели простой формы, из кото-
рых сфера является классическим примером. Затем будут рассмотрены объекты
сложной формы, например самолет.
Объекты простой формы. Благодаря радиальной симметрии идеально проводя-
щая сфера является самым простым из всех трехмерных рассеивателей. Однако
несмотря на простоту ее геометрической поверхности и изменчивость рассеяния в
зависимости от ракурса ЭПР сферы значительно варьируется с изменением элект-
рического размера. Точное решение для определения рассеяния проводящей сфе-
ры известно как Ми-последовательность [4], которая показана на рис. 14.2.
Обратите внимание, что график разделен примерно на три области. В рэлеев-
ской области при значениях kа < 1 ЭПР увеличивается до значения радиуса сферы
в четвертой степени, что характерно для зависимости площади рассеяния электри-
чески малых тел, будь они сферической или другой формы. В этой области падаю-
щая волна не может дать точного разрешения изменений отношения длины тела к
ширине. В оптической области при значениях kа > 10 оптические формулы для
расчета ЭПР металлического тела обычно работают достаточно хорошо. Между
рэлеевской и оптической расположена резонансная область, где два или более
механизма формирования рассеяния взаимодействуют по фазе друг с другом, что
дает колебания в графике ЭПР.
В случае сферы колебания в резонансной области обусловлены двумя особыми
видами рассеяния: с одной стороны, зеркального рассеяния от передней (освещен-
ной) поверхности сферы, а с другой, — созданного поверхностной волной, кото-
рая формируется затененной стороной сферы. Волны данного типа называют
«ползучими». Два рассеянных сигнала складываются с учетом фазы. По мере того
как размер сферы становится больше, увеличивается различие в фазах сигналов,
поскольку растет различие в длине электрического пути, проходимого сигналами
от источника рассеяния к приемнику с увеличением kа. Колебания уменьшаются
с увеличением kа потому, что ползучая волна теряет больше энергии в связи с уве-
личением проходимого электрического пути вокруг теневой части сферы.
Если бы имело место только зеркальное рассеяние, ЭПР идеально проводящей
сферы в оптической области вычислялась бы по простой формуле
a2, (14.2)
где а — радиус сферы. ЭПР проницаемых (диэлектрических) тел найти намного
сложнее, поскольку радиоволна может проникать в тело и рассеиваться от его внут-
ренних поверхностей прежде, чем отразится обратно. Примером такой цели явля-
ется диэлектрическая сфера, ЭПР которой представлена на рис. 14.31. Поскольку
диэлектрический материал вызывает небольшое рассеяние, о чем свидетельствует
ненулевая мнимая часть показателя преломления, то ЭПР сферы постепенно убыва-
ет с ростом электрических размеров тела. Атлас с соавторами пошел еще дальше,
сравнивая измеренные и теоретические ЭПР сфер из оргстекла в попытках рассчи-
тать рассеяние от градин [6].
Определение ЭПР очень тонких диэлектрических тел не связано с подобной
сложностью, поскольку источники рассеяния (например передняя и задняя поверх-
ности диэлектрического цилиндра) расположены слишком близко друг к другу, что-
бы разрешить их с помощью зондирующего сигнала. Примером является осевая
ЭПР тонкой струны, которая показана на рис. 14.4. Струна протянута через всю
зону зондирования большой закрытой испытательной камеры под углом 45°. ЭПР
измеряли в виде функции частоты для четырех приемо-передающих комбинаций
поляризации. Показаны только данные измерений при вертикально-вертикальной
(ВВ) поляризационной и кросс-поляризационной горизонтально-вертикальной
(ГВ) развертках, поскольку данные при других поляризационных базисах были
получены на основе данных измерений. Измеренные данные представляют собой
быстро меняющиеся диаграммы и статистически совпадают с плавно меняющимися
диаграммами, представляющими точное решение двумерного волнового уравнения
для диэлектрических цилиндров.
Диаметр струны составлял 0,012 дюйма (0,31 мм), а облучаемая длина (по оцен-
кам) — около 37 футов1. На основе усреднения результатов измерений в режимах
ВВ и ГВ, которые выявили различие в 10,7 дБ, было установлено, что эффективная
диэлектрическая постоянная струны еr = 2,646. Возможно, это была первая попытка
использования измерений ЭПР для оценки диэлектрической постоянной струн, ко-
торые представляют особый интерес при стендовых испытаниях ЭПР, поскольку
они могут дать «невидимые» подтверждения присутствия целей.
Поведение коротких проволочных диполей заметно отличается от длинных
струн из диэлектрика. Как показано на рис. 14.5, осевое рассеяние от металличе-
ской проволоки обладает резонансом при нечетных значениях, кратных половине
длины волны, и почти постоянным уровнем рассеяния между резонансными пиками. Данные области постоянного уровня растут с увеличением длины диполя и становятся менее четкими по мере того, как диполь становится толще и длиннее.
В конце концов они исчезают, когда диполь достигает определенной длины и тол-
щины.
ЭПР может вырасти до значительных уровней на больших ракурсах, а также в
поперечной области, как для толстых, так и для тонких тел. Данные отражения при
малых ракурсах связаны с поверхностными бегущими волнами, которые рассеивают
зондирующую мощность обратно. Примером является огива: веретенообразное
тело, которое образуется при вращении дуги окружности вокруг своей хорды.
На рис. 14.6 представлена ЭПР огивы с длиной 39л и полууглом 15°, записан-
ная для горизонтальной поляризации (падающее электрическое поле расположено
в осевой плоскости огивы и прямой видимости). Большой всплеск в правой части
ЭПР — это зеркальное рассеяние в поперечном направлении, а последователь-
ность пиков в левой части — вклад поверхностной бегущей волны в осевом
направлении к концу огивы. Заметим, что ЭПР в данном случае крайне мала (бук-
вально неизмерима в данном случае) в направлении к концу тела. Теоретические
расчеты ЭПР концевых областей огивы практически совпадают с измерениями
ЭПР тела этой формы.
Металлическая пластина является телом более простой формы, чем огива, по-
казанная на рис. 14.6, но ее ЭПР — не менее сложной. Примерная диаграмма
ЭПР приведена на рис. 14.7 для четырех различных комбинаций поляризации па-
дающей и рассеянной волны. Диаграммы ГГ- (точечная кривая) и ГВ- (пунктир-
ная кривая) поляризаций сдвинуты вниз на 5 дБ для ясности, в то время как для
ВВ- (длинная пунктирная кривая) и ВГ- (сплошная линия) поляризаций представ-
лены без смещения. Пластина вращалась вокруг вертикальной оси, параллельной
одному краю, а поляризации падающего и рассеянного сигналов соответственно
либо параллельны (В), либо перпендикулярны (Г) ее оси.
Ситуация, когда плоскость пластины перпендикулярна направлению падения
волны и соответствует центру диаграммы (0°), повернута ребрами в левой и пра-
вой части диаграммы (90°). Большие значения ЭПР, соответствующие зеркальным
отражениям от пластины, в центре диаграммы рассчитываются с достаточной точ-
ностью по формуле, приведенной в табл. 14.1 для плоской пластины. Отражения
от ребер при ВВ-поляризации также можно рассчитывать по формуле, приведен-
ной в табл. 14.1 для прямых ребер.
Волнообразное изменение ЭПР по закону sin х / х происходит при ракурсах,
близких к 30°. За пределами этих значений две картины ЭПР приобретают значи-
тельные различия за счет расширения полей. Следование закону sin х / х харак-
терно для равномерного распределения облучения по апертуре, но в отличие от
функции одностороннего возбуждения, которая встречается в работе антенны,
аргумент х для плоской пластины включает в себя двустороннюю (круговое про-
хождение) функцию возбуждения (падающее и рассеянное излучение). Таким
образом, ширина луча рассеяния плоской пластины равна половине ширины диа-
граммы направленности апертуры антенны такого же размера. Появление высту-
пающего лепестка горизонтальной ЭПР в интервале между 70° и 80° обусловлено
поверхностной бегущей волной.
В отличие от характера изменения ЭПР плоской пластины величина ЭПР
уголкового отражателя остается практически постоянной в достаточно широком
секторе углов. Это связано с тем, что уголковый отражатель является структурой с
многократным отражением падающей волны, поэтому вне зависимости от ракурса
облучения (конечно, в пределах разумного) волны, отраженные от внутренней
поверхности, направляются обратно к источнику зондирования. Уголковый отра-
жатель состоит из двух или трех плоских пластин, расположенных ортогонально
друг другу, поэтому волны, падающие на одну грань, отражаются от нее в направ-
лении второй, и если на их пути оказывается третья грань, то она отражает сум-
марную отраженную волну от первых двух поверхностей. Взаимная ортогональ-
ность поверхностей гарантирует, что после окончательного отражения волны
направляются обратно к источнику излучения.
Отдельные поверхности уголкового отражателя могут иметь произвольную
форму, но наиболее распространенной для трехгранного уголка является равно-
бедренный или равносторонний треугольник; двугранные уголки обычно имеют
грани прямоугольников. ЭПР уголкового отражателя вдоль оси его симметрии
идентична ЭПР плоской пластины, площадь которой соответствует площади рас-
крыва уголкового отражателя. Величина рассеяния может быть определена путем
нахождения полигональных областей на каждой из сторон (граней) уголкового от-
ражателя, на которые падают волны, отраженные от других поверхностей, и от ко-
торых окончательное отраженное излучение рассеивается обратно к источнику.
Эффективная площадь определяется суммированием проекций областей этих по-
лигонов на линии визирования [11]; ЭПР затем находят путем возведения в квад-
рат площади этой области, умножая на 4р и деля на л2.
Рис. 14.8 представляет собой диаграммы ЭПР трехгранного уголкового отра-
жателя с треугольными гранями. Отражатель изготовлен из трех треугольных клее-
ных фанерных панелей, металлизированных для повышения отражательных
свойств поверхности. Раскрыв уголка, обращенный к радару, таким образом, име-
ет форму равностороннего треугольника, как показано на рис. 14.9. Восемь ЭПР,
представленных на рис. 14.8, измеряли в плоскости раскрыва при наклоне на угол
ц выше или ниже линии визирования.
Широкая центральная часть данных диаграмм ЭПР обусловлена тройным от-
ражением между тремя поверхностями, в то время как «всплески» по бокам диа-
граммы ЭПР вызваны однократным рассеянием от отдельной поверхности. Вдоль
оси симметрии трехгранного отражателя, показанного на рис. 14.9 (и = 0°, ц = 0°),
ЭПР равна рL4 / 3л2, где L — длина одной из сторон раскрыва. Не показано
уменьшение рассеяния, когда треугольные поверхности не перпендикулярны друг
другу. Уменьшение рассеяния зависит от размера поверхности, выраженного в
длинах волн [12, 13].
ЭПР объектов самой простой геометрической формы, рассмотренные в
этом разделе, можно рассчитать с помощью простых формул, приведенных в табл. 14.1. ЭПР некоторых тел более сложной формы можно оценить путем их представления в виде набора
тел простой формы, таких как перечисленные в табл. 14.1, рассчитывая индивидуальный вклад каждого простого тела, а затем суммируя их в различном порядке в соответствии с це-
лью расчета.
Объекты сложной формы. Такие объекты, как насекомые, птицы, самолеты, корабли и антенны, имеют гораздо более сложную форму в отличие от
тел, рассмотренных выше, либо из-за множества составляющих их рассеивателей,
либо из-за сложности их поверхностных профилей и различий в диэлектрической
постоянной. Насекомые являются примером последнего случая.
Измеренные значения для десятков видов насекомых приведены в табл. 14.2.
Измерения проводились на живых насекомых, которые были обездвижены из-за
действия наркотических веществ. На рис. 14.10 отображена взаимосвязь между
ЭПР и массой насекомого, для сравнения показана ЭПР капли воды. В табл. 14.3
указаны ЭПР человека, по данным Шульца и соавторов [16]. Другие сравнения
были сделаны для птиц и насекомых [17].
Примеры ЭПР самолета показаны на рис. 14.11 и 14.12. ЭПР самолета B-26 на
рис. 14.11 измерялась на частоте 3 ГГц. Полярная система координат полезна для
демонстрационных целей, но она не так удобна для подробного сравнения, как пря-
моугольная система координат, которая используется на рис. 14.12. ЭПР самолета
C-29 измерялась для модели в масштабе 1 к 3 и была продемонстрирована в начале
2000-х годов на веб-сайте ВВС США [20]. C-29 является военной версией коммер-
ческих воздушных судов среднего размера производства Raytheon Hawker 800XP.
На веб-сайте ВВС дано очень мало технических деталей об условиях испыта-
ний и сборе данных, таких как частота и поляризация измерений, даже не указаны
единицы ЭПР. Однако, даже если мы не знаем частоту или поляризацию испы-
таний, можно установить, что ЭПР самолета в полном масштабе будет на (3 Ї 3) =
= 9,5 дБ больше, чем представленная на рисунке (т.е. больше на величину, обратную
коэффициенту масштабирования в квадрате). Мы предполагаем, что излучение,
падающее на нос самолета, находится в центре ЭПР и что представленная ЭПР дана
в децибелах на квадратный метр на тестовой частоте.
На рис. 14.13 показана величина ЭПР судна, измеренная на частоте 2,8 и
9,225 ГГц при горизонтальной поляризации. Данные были собраны на измери-
тельном комплексе береговых радаров, когда корабль проходил обработку водя-
ным паром в Чесапикском заливе. Три следа в этой ЭПР представляют измере-
ния на уровне сигнала 80, 50 и 20%, собранных для ракурсного «окна» 2° в
ширину. ЭПР не являются симметричными, особенно на более высокой частоте.
Обратите внимание, что ЭПР может превышать 1 mi2 (64,1 дБ кв.м).
Эмпирическая формула для расчета ЭПР военно-морского корабля —
52 f 1/ 2D3/ 2, (14.3)
где f — рабочая частота радара в мегагерцах, D — водоизмещение судна с полной за-
грузкой в тыс. т [21, 22]. Соотношение основано на измерении ЭПР нескольких су-
дов при низких углах скольжения и представляет собой среднее значение ЭПР по
срединной линии в ракурсах с носовой части и правого борта, но без учета осевых
пиков. В статистику включены данные, собранные при номинальной длине волны
3,25, 10,7 и 23 см при перемещении кораблей с водоизмещением 2—17 тыс. т.
На рис. 14.14 приведены общие уровни ЭПР для широкого ряда целей различ-
ной формы, обсуждаемых в этом разделе, в зависимости от их объема в сравнении
с ЭПР металлической сферы. По оси ординат дана ЭПР в квадратных метрах, а по оси абсцисс — объем цели в кубических футах. Поскольку график предназначен
только для демонстрации широкого диапазона ЭПР, с которыми можно столк-
нуться на практике, расположение объектов является приблизительным в лучшем
случае. В рамках данных классов целей ЭПР может изменять на целых 20 или
30 дБ, в зависимости от частоты, ракурса, а также конкретных характеристик
цели. Читатели, желающие более подробно ознакомиться с этими данными, могут
обратиться к списку литературы в конце этой главы.
О ГЛАВНОМ РЕДАКТОРЕ
Меррилл Сколник работал руководителем радиолокационного отдела в научно-ис-
следовательской лаборатории ВМС США более 30 лет. Перед этим он занимался
радиолокационной тематикой в Линкольновской лаборатории Массачусетского
технологического института, в Институте оборонных исследований и в исследова-
тельском отделе компании Electronic Communications (США). Он является авто-
ром популярного руководства Introduction to Radar Systems, опубликованного изда-
тельством McGraw-Hill тремя изданиями (русский перевод первого издания —
«Введение в технику радиолокационных систем», издательство «Мир», 1965), редак-
тором книги Radar Applications издательства IEEE Press и бывшим редактором жур-
нала Proceedings of the IEEE (русское издание — «Труды Института инженеров по
электротехнике и радиоэлектронике»). М. Сколнику присвоена докторская степень
в области инженерных наук в университете имени Джона Хопкинса, где он ранее
получил квалификации бакалавра и магистра по электротехнике. Он является
членом американской Национальной академии инженерных наук, действитель-
ным членом (Fellow) IEEE и первым лауреатом почетной медали Д.Дж. Пикарда
за достижения в области радиолокации, учрежденной IEEE.
АВТОРЫ КНИГИ
Джеймс Дж. Олтер, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 25)
Стюарт Дж. Андерсон, Австралийская организация оборонной науки и техники
(глава 20)
У.Г. Бат, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 7)
Майкл Т. Борковский, Raytheon Company (глава 11)
Джефри О. Коулман, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 25)
Майкл Э. Кули, Electronic Systems Northrop Grumman Corporation (глава 12)
Дэвид Дэниелс, компания ERA Technologies (глава 21)
Даниэль Дэвис, Electronic Systems Northrop Grumman Corporation (глава 12)
Джеймс К. Дей, корпорация Lockheed Martin (глава 3)
Майкл Р. Дьюков, Lockheed Martin MS 2 (глава 8)
Альфонсо Фарина, анализ интегральных систем, SELEX Sistemi Integrati (глава 24)
Уильям Г. Федарко, Northrop Grumman Corporation (глава 4)
Джо Фрэнк, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 13)
Вилхелм Греджерс Хансен, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 2)
Джеймс М Хэдрик, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 20)
Дин Д. Ховард, консультант ITT Industries, Inc. (глава 9)
Р.Дж. Килер, Национальный центр атмосферных исследований (глава 19)
Юджин Ф. Нотт, компания Tomorrow's Research, США(глава 14)
Карло Копп, Monash University (глава 5)
Дэвид Линч младший, DL Sciences, Inc. (глава 5)
Ричард К Мур, Канзасский университет (глава 16)
Энди Норрис, компания Navigation Systems (глава 22)
Уэйн Л. Паттерсон, Центр космических и морских боевых систем,
отдел распространения излучения в атмосфере (глава 26)
Р. Кейт Рени, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 18)
Джон Д. Ричардс, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкина
(глава 13)
Р.Дж. Серафин, Национальный центр атмосферных исследований (глава 19)
Уильям В. Шрэдер, Shrader Associates, Inc. (глава 2)
Меррилл Сколник (главы 1 и 10)
Фред М. Штаудаер, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 3)
Джон П. Стролка, Northrop Grumman Corporation (глава 4)
Роджер Салливан, Institute for Defense Analyses, США(глава 17)
Байрон У. Тайтджен, Lockheed Martin MS 2 (глава 8)
Г.В. Транк, лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса (глава 7)
Томас А. Вейл (глава 10)
Льюис Б. Ветцель, научно-исследовательская лаборатория ВМС США( глава 15)
Николас Дж. Уиллис, корпорация Technology Service (глава 23)
Майкл Э. Йоманс, Raytheon Company (глава 6)
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Уважаемые читатели!
Вашему вниманию предлагается новое издание «Справочника по радиолокации»,
подготовленное группой американских ученых и инженеров-практиков под общей
редакцией широко известного ученого в области радиолокации Меррилла Скол-
ника.
ОАО «Концерн «Вега» взял на себя нелегкий труд по организации издания
русской версии данного справочника, который увидел свет благодаря продолжи-
тельному и плодотворному труду большого коллектива сотрудников издательства
«ТЕХНОСФЕРА», переводчиков и редакторов, в роли которых выступили глав-
ным образом ученые концерна.
Решение о переводе на русский язык «Справочника по радиолокации» в кон-
церне возникло ввиду следующих причин.
Во-первых, концерн «Вега» является головным предприятием в Российской Фе-
дерации по ряду приоритетных направлений создания сложных технических систем
специального и гражданского назначения, а радиолокация, безусловно, является од-
ной из центральных областей научных интересов и знаний предприятия в решении
данных задач. Руководство концерна заинтересовано, чтобы его сотрудники, и осо-
бенно, молодое поколение при выполнении стоящих перед ними задач могли опи-
раться на знания в данной предметной области, полученные не только отечествен-
ными учеными и разработчиками, но и их иностранными коллегами.
Во-вторых, в последнее время снизился информационный поток переводной
литературы, посвященной радиотехнической тематике, в том числе и радиолока-
ционной, поэтому хотелось несколько расширить объем научных знаний, поступа-
ющих от известных иностранных специалистов в области радиолокации.
В-третьих, предыдущее издание «Справочника по радиолокации» под редакцией
М. Сколника получило широкую известность у российских инженеров и ученых, за-
нимающихся вопросами разработки радиолокационных систем. Его по праву можно
отнести к одной из лучших книг по радиолокации XX века. Он был настольной кни-
гой у нескольких поколений радиоинженеров, в том числе и у участников издания
данной русской версии. Однако с момента выхода предыдущего издания прошло
уже более 20 лет, а теория и практика радиолокации шагнули далеко вперед.
В-четвертых, в 2014 году исполняется 10 лет концерну и 70 лет его головному
предприятию (ЦКБ-17, НИИ-17, МНИИП). Приближаясь к этим знаменатель-
ным датам, ученые и инженеры концерна хотели бы преподнести в подарок ра-
диотехническому научному сообществу новую версию «Справочника по радиоло-
кации». Выпуск этой книги станет нашим вкладом в популяризацию технических
знаний и будет способствовать привлечению в интересную и перспективную науч-
ную область радиотехники более широкого круга молодых научных работников и
инженеров. В справочнике в сжатой форме изложены основные методы и подхо-
ды, существующие в радиолокации, особенности построения и возможности ра-
диолокационных систем различного назначения, а также отражены тенденции
развития радиолокационных систем.
Произошедшие изменения в теории и технике радиолокации за более чем
20-летний период нашли свое отражение в справочнике в виде новых глав (по
отношению к предыдущему изданию) и в корректировке содержательной части
материала ранее существующих глав.
В то же время развитие радиолокации, как и любой области науки и техники,
не происходит изолированно благодаря усилиям какой-либо одной группы ученых и
инженеров-разработчиков. Достаточно быстро и интенсивно данная область радио-
техники развивалась и продолжает развиваться в нашей стране. Причем отцом
радиолокации с полным основанием можно считать нашего соотечественника —
русского физика, электротехника, изобретателя радио Попова Александра Степа-
новича, который летом 1897 года открыл эффект отражения радиоволн, проводя в
Финском заливе практический опыт по организации электросвязи без проводов
между двумя кораблями. Его открытие послужило толчком к возникновению радио-
локации и превращению ее в одну из динамично развивающихся областей науки и
техники. Благодаря усилиям отечественных ученых-практиков, таких как действи-
тельные члены АН СССР А.И. Берг, А.Ф. Богомолов, Б.В. Бункин, Ю.Б. Кобзарев,
В.А. Котельников, А.А. Расплетин, члены-корреспонденты АН СССР В.В. Тихоми-
ров, А.А. Пистолькорс, действительные члены РАН Ю.В. Гуляев, И.Б. Федоров,
члены-корреспонденты РАН Л.Д. Бахрах, А.П. Реутов, М.С. Рязанский и др., в на-
шей стране сегодня существует богатая информационная база по теоретическим
основам, характеристикам объектов радиолокационного наблюдения, принципам
построения, режимам работы радиолокационных систем, вопросам обработки
радиолокационных сигналов, особенностям конструирования элементов данных си-
стем. Данные аспекты радиолокационной теории и практики продолжают разви-
ваться и сегодня, опираясь на новые знания и возможности информационных тех-
нологий, развитие элементной базы собственно РЛС и систем обработки сигналов,
принципов построения антенной техники и ее элементной базы. Как правило, дан-
ные знания оформляются в виде книг, монографий, статей, учебников и учебных
пособий, а также в электронной форме и представляют большой интерес для специ-
алистов, научных работников, молодых сотрудников и будущих исследователей,
интересующихся областью радиолокации. В то же время данная совокупность зна-
ний интересна инженерам-разработчикам радиолокационных систем, поскольку
они могут использовать эти знания при разработке и конструировании современных
и перспективных систем. Для ученых и инженеров-разработчиков, работающих в
области радиолокации, интересны и знания, которые формируются в сжатом, скон-
центрированном виде как единый информационный источник — в форме справоч-
ника. Наиболее популярными в данном научно-техническом сообществе среди со-
ветских и российских изданий были и остаются «Справочник по радиоэлектронике»
под редакцией А.А. Куликовского (М., «Энергия», 1969), справочная серия по ра-
диоэлектронике под общей редакцией А.А. Куликовского в 7 томах (М., «Энергия»,
1977—1979) и справочник «Радиоэлектронные системы. Основы построения и тео-
рия» под редакцией Я.Д. Ширмана (М., «Радиотехника», 2007).
Необходимо заметить, что несмотря на популярность справочника, подготов-
ленного группой специалистов американской школы радиолокации, он, тем не
менее, является одним из тех источников, которыми пользуются инженеры, разра-
ботчики и ученые, работающие в предметной области радиолокации. В этой связи
не менее популярны издания по радиолокационной тематике советской и россий-
ской школы радиолокации, авторами которых являются П.А. Бакут, П.А. Бакулев,
Р.П. Григорин-Рябов, В.Е. Дулевич, П.И. Дудник, Ю.Б. Кобзарев, Г.С. Кондра-
тенков, С.З. Кузьмин, М.В. Максимов., В.Н. Манжос, А.П. Реутов, В.А. Сарычев,
Ю.Г. Сосулин, К.Н. Трофимов, И.Б. Федоров, М.И. Финкельштейн, Я.Д. Ширман.
Перевод на русский язык Справочника выполнили: к.т.н. А.В. Бруханский
(гл. 1, 2), Ю.Л. Цвирко (гл. 3—9), Е.Б. Махиянова (гл. 10—18), А.И. Демьяников
(гл. 19—26) при активном участии д.т.н. С.М. Смольского, а его научное редак-
тирование провели д.т.н., профессор В.С. Верба (гл.1, 8), д.т.н., профессор
А.Р. Ильчук (гл. 3, 4, 26), д.т.н. К.Ю. Гаврилов (гл. 11—13, 15, 16, 18, 20—23),
к.т.н., доцент Д.Д. Дмитриев (гл. 7), д.т.н., профессор Б.Г. Татарский (гл. 2, 5, 6,
9, 10, 14, 17, 19), к.т.н., с.н.с. А.Г. Тетеруков (гл. 24), к.т.н. А.А. Филатов (гл. 25).
Общая научная редакция справочника выполнена д.т.н., профессором В.С. Вербой.
Выражаю всем членам творческого коллектива искреннюю благодарность за
проделанную важную работу и надеюсь, что данный справочник займет достойное
место на столе у инженеров, разработчиков и ученых, занимающихся проектиро-
ванием, исследованием и созданием радиолокационных систем.
Научный редактор справочника,
генеральный директор — генеральный конструктор
ОАО «Концерн «Вега»,
доктор технических наук, профессор В.С. Верба
ПРЕДИСЛОВИЕ
Радиолокатор — яркий пример сложной радиоэлектронной системы. В универси-
тетских программах электротехнических специальностей обычно делается акцент на
основные инструменты инженера, такие как схемотехника, теория сигналов, физи-
ка твердого тела, цифровая обработка, электронные приборы, электромагнитное
поле, автоматическое регулирование, микроволновая техника и т.д. Но в реальном
мире электротехники и электроники эти инструменты — только отдельные части и
подсистемы более крупной системы, которая создается для получения полезной ин-
формации. В дополнение к радиолокационным системам и другим системам извле-
чения информации (сенсорам) радиоэлектронные системы включают системы ком-
муникации, управления, энергетические системы, системы обработки информации,
промышленную электронику, военную технику, радионавигацию, потребительскую
электронику, медицинское оборудование и др. Они-то и составляют сферу совре-
менной электроники. Без них потребность в инженерах соответствующего профиля
была бы очень ограничена. Однако практический инженер, занятый в разработке
и производстве электронных систем нового типа, зачастую оказывается зависимым
от знаний, которые не входили в программу его или ее технической подготовки.
Инженер-локационщик, например, должен глубоко понимать работу крупных узлов
РЛС и ее подсистем, а также знать, как они взаимодействуют друг с другом. Настоя-
щее издание «Справочника по радиолокации» должно помочь в решении этой задачи.
Кроме разработчиков радиолокационных систем справочник будет полезен тем, кто
отвечает за развертывание новых радиолокационных систем, инженерам, занятым в
эксплуатации РЛС, руководителям инженерных подразделений.
Третье издание «Справочника по радиолокации» — свидетельство тому, что ра-
диолокационная техника как для гражданского использования, так и для военных
целей продолжает развиваться в направлении расширения области применения и
в совершенствовании технологии. Перечислим некоторые из многих достижений
радиолокации, появившиеся начиная с момента выхода предыдущего издания
справочника:
— широкое применение цифровых методов для эффективной обработки сигналов
и радиолокационных данных, принятия решений, гибкого автоматизированного
управления РЛС и расширения ее многофункциональности;
— доплеровские метеорологические РЛС;
— бортовые системы c селекцией наземных движущихся целей (СНДЦ, GMTI —
Ground Moving Target Indicator Radar);
— обширная экспериментальная база данных, относящаяся к оценкам отражений
от поверхности при малых углах падения сигнала, полученная Линкольновской
лабораторией МТИ. Эти данные пришли на смену модели отражений, восходя-
щей ко времени Второй мировой войны;
— подтверждение того, что микроволновому сигналу, отраженному от морской
поверхности, при скользящем падении присущи эффекты, называемые «мор-
скими шипами»;
— активные радиолокационные электронно-сканирующие антенные решетки
(АФАР, AESA — Аctive Electronically Scanned Arrays), использующие твердо-
тельные модули, также называемые активными решетками с электронным ска-
нированием, привлекательные возможностью управления мощностью излуче-
ния в окружающем пространстве и легкостью сканирования;
— исследование планет с помощью радиолокации;
— компьютерные методы моделирования и расчета рабочих характеристик РЛС с
учетом реальных условий распространения сигнала в окружающей среде;
— практическое использование загоризонтных РЛС декаметрового диапазона;
— усовершенствованные методы СДЦ, включающие адаптивную пространственно-
временную обработку;
— практическое использование РЛС с инверсной синтезированной апертурой для
распознавания целей;
— интерферометрические РЛС с синтезированной апертурой (ИнРСА, InSAR —
Interferometric Synthetic Aperture Radar), используемые для оценки высоты на-
земных отражателей, для выделения движущихся наземных целей и получения
трехмерных радиолокационных изображений поверхности;
— достижение высокой точности радиолокационных высотомеров космического ба-
зирования, позволяющих оценить форму геоида Земли с точностью до несколь-
ких сантиметров;
— сверхширокополосные радиолокаторы для подповерхностного зондирования
Земли и других приложений;
— повышение мощности широкополосных клистронов, основанных на групповых
(пространственно-развитых) объемных резонаторах, и многолучевых клистронов;
— появление полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной, кото-
рые позволяют получить большую мощность и работают при более высоких
температурах;
— доступность мощных генераторов миллиметровых волн, основанных на приме-
нении гироклистронов;
— нелинейная ЧМ (FM — Frequency Modulated) зондирующих импульсов, позво-
ляющая получить сжатый сигнал с низким уровнем боковых лепестков;
— замена компьютером оператора РЛС как субъекта выделения информации и
лица, принимающего решения.
Вышеупомянутые достижения перечислены в произвольном порядке, и при
этом нельзя считать данный список полным перечислением достижений радиоло-
кации с момента появления предыдущего издания. Некоторые темы, отраженные
в предыдущих изданиях справочника, которые представляют сейчас меньший инте-
рес, были исключены из текущего издания.
Авторы глав, являющиеся экспертами в своей частной области, были ориенти-
рованы на читателей, хорошо осведомленных в общем предмете, и даже экспертов
в некоторой другой частной области радиолокации, но необязательно хорошо раз-
бирающихся в предмете главы, которую писал автор.
Следовало ожидать, что по прошествии времени после выхода в свет «Справоч-
ника по радиолокации» не все авторы глав предыдущих изданий оказались доступ-
ны для участия в подготовке третьего издания. Многие из авторов предыдущих из-
даний ушли в отставку или больше не с нами. Авторы и соавторы шестнадцати из
двадцати шести глав этого издания не участвовали в подготовке предыдущих изда-
ний.
Тяжелая работа по написанию этих глав была проделана опытными авторами,
являющимися экспертами в своей области. Таким образом, значимость «Справоч-
ника по радиолокации» — результат усердия и экспертного мнения авторов, кото-
рые потратили свое время, знания и опыт, чтобы сделать это руководство полез-
ной книгой для инженеров-локационщиков и всех тех людей, деятельность
которых является жизненно важной для разработки, производства и эксплуатации
радиолокационных систем. Я глубоко благодарен всем авторам за их тщательную
работу и долгие часы, которые они посвятили выполнению своей задачи. Это ав-
торы, которые делают успешным любое издание. Моя искренняя благодарность
им всем.
Как упоминается в предисловии к предыдущему изданию, читателей, желающих
сделать ссылку или процитировать материал из справочника, просим указывать фа-
милии авторов именно тех глав, на которые выполняется ссылка.
Меррилл Сколник
Балтимор, Мэриленд
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ И КРАТКИЙ ОБЗОР ПРИНЦИПОВ РАДИОЛОКАЦИИ
Меррилл Сколник
1.1. Кратко о радиолокации и радиолокаторах
Радиолокатор (радар, радиолокационная станция, РЛС) — электромагнитный ин-
формационный датчик, предназначенный для обнаружения и определения коор-
динат и параметров движения отражающих объектов. Его функционирование мо-
жет быть описано следующим образом.
• Радиолокатор формирует зондирующий сигнал, который с помощью антенны
преобразуется в электромагнитную волну и излучается в пространство.
• Часть излученной энергии ЭМВ попадает на объект, расположенный на некото-
ром расстоянии от радиолокатора и обычно называемый целью.
• Энергия, перехваченная объектом, переизлучается по многим направлениям,
в том числе и в направлении на радиолокатор.
• Переизлученная часть энергии (отраженного сигнала) в направлении на радио-
локатор принимается антенной радиолокатора, которая преобразует принятую
ЭМВ в электрический сигнал.
• После усиления в приемнике и соответствующей обработки сигналов выносится
решение о том, присутствует ли сигнал, отраженный от цели, на выходе прием-
ника. В последнем случае определяются координаты цели и может быть извле-
чена другая информация о ней.
Обычная форма сигнала, излучаемого РЛС, — последовательность относитель-
но узких, почти прямоугольных радиоимпульсов. Примером зондирующего сигна-
ла для РЛС средней дальности действия, предназначенной для обнаружения само-
летов, является серия коротких радиоимпульсов продолжительностью одна
микросекунда (1 мкс) с периодом следования одна миллисекунда (1 мс), что соот-
ветствует частоте повторения 1 кГц; пиковая мощность передатчика РЛС может
составить, к примеру, один миллион ватт (1 МВт). С этими значениями средняя
мощность излучения составляет один киловатт. Средняя мощность 1 кВт — это
меньше, чем мощность электрического освещения типовой учебной аудитории.
Предположим для примера, что эта РЛС может работать в середине микроволно-
вого† частотного диапазона в полосе частот от 2,7 до 2,9 ГГц, которая является ти-
пичной для гражданских обзорных РЛС аэропортов. Ее длина волны может соста-
вить приблизительно 10 см (округлено для простоты). С подходящей антенной
такой радиолокатор может обнаружить самолет на дальности 50—60 морских
миль (93—111 км) и, возможно, несколько больше или меньше. Мощность сиг-
нала, отраженного от цели, принимаемая радиолокатором, может изменяться
в очень широком диапазоне значений, но мы произвольно, в иллюстративных
целях полагаем, что мощность типичного отраженного сигнала может составить
1013
ватт. Если мощность излучения составляет 106 ватт (один мегаватт), то отно-
шение мощности отраженного сигнала к мощности передатчика РЛС в этом при-
мере составляет 1019,
то есть отраженный сигнал на 190 дБ меньше по мощности,
чем излученный сигнал. Это реальная разница между величиной излученного сиг-
нала и принимаемым отраженным сигналом.
Некоторые радиолокаторы должны обнаруживать цели на дальностях, столь же
коротких, как размеры бейсбольной площадки (чтобы измерить скорость мяча при
подаче), в то время как другие радиолокаторы должны работать на дальностях, столь
же больших, как расстояния до ближайших планет. В соответствии с назначением
радиолокатор может быть как малым, чтобы помещаться в ладони, так и большим,
чтобы занимать пространство нескольких футбольных полей.
Радиолокационными целями могут быть самолеты, суда или ракеты, но в ка-
честве целей РЛС могут рассматриваться также люди, птицы, насекомые, атмо-
сферные осадки, турбулентности ясного неба, ионизированные среды, особенно-
сти земной поверхности (растительность, горы, дороги, реки, аэродромы, здания,
ограждения и столбы линий электропередачи), море, лед, айсберги, буи, подзем-
ные объекты, метеоры, полярное сияние, космические корабли и планеты. В до-
полнение к измерению дальности и углового положения цели РЛС может также
измерять относительную скорость цели, вычисляя скорость изменения расстояния
либо извлекая информацию о радиальной скорости из доплеровского сдвига час-
тоты отраженного сигнала. Если координаты движущейся цели измеряются на
протяжении некоторого периода времени, то может быть определена траектория
ее движения и, как следствие, вычислены абсолютная скорость цели, направление
ее движения и сделан прогноз относительно ее будущего положения. Специаль-
ным образом сконструированные РЛС могут определить размер и форму цели и
даже отличить один тип или класс цели от другого.
Основные части радиолокатора. Рис. 1.1 представляет собой упрощенную
структурную схему РЛС, на которой показаны подсистемы, обычно присутствую-
щие в ее составе. Передатчик, который показан здесь как усилитель мощности, ге-
нерирует радиосигнал определенной частоты и модуляции в соответствии с назна-
чением РЛС, который именуют зондирующим сигналом. Средняя мощность этого
сигнала может быть как малой, т.е. лежать в пределах милливатт, так и большой,
т.е. лежать в пределах мегаватт. Средняя мощность излучаемого сигнала — более
достоверный показатель рабочих характеристик радиолокатора, чем его пико-
вая мощность. Большинство радиолокаторов использует сигнал в виде коротких
импульсов, таким образом, единственная антенна может использоваться в режиме
разделения времени и для передачи, и для приема.
Переключатель приема/передачи позволяет единственной антенне работать как
на передачу, предохраняя от повреждения чувствительный приемник во время ге-
нерации импульса передатчиком, так и на прием, направляя полученный отражен-
ный сигнал к приемнику, а не к передатчику.
Антенна — устройство, позволяющее электромагнитной энергии зондирующе-
го сигнала распространяться в пространстве и собирающее энергию отраженного
сигнала на вход приемника. Это почти всегда узконаправленная антенна, то есть
такая, которая концентрирует излучаемую энергию в узком луче, чтобы увеличить
плотность потока мощности, а также позволяет решить задачу точного определе-
ния направления на цель. Антенна, имеющая узкий направленный луч на пере-
дачу, обычно имеет большую площадь на прием, чтобы собирать энергию слабых
отраженных сигналов цели с большей площади. Антенна не только концентрирует
энергию при передаче и собирает энергию отраженного сигнала при приеме, но
также действует как пространственный фильтр, обеспечивающий угловое разре-
шение и другие возможности.
Приемник усиливает слабый принятый сигнал до уровня, который обеспечива-
ет его обнаружение. Наличие шума — принципиальное ограничение способности
РЛС принять достоверное решение об обнаружении цели и возможности извлечь
информацию о ней, поэтому требуется обеспечить малый уровень собственного
шума приемника. На микроволновых частотах, где работает большинство РЛС,
источником шума, воздействующего на рабочие характеристики радиолокатора,
обычно являются первые каскады приемника, обозначенные на рис. 1.1 как мало-
шумящий усилитель. Для многих радиолокационных приложений, где способность
обнаружения ограничена мешающими отражениями от окружающей среды (назы-
ваемыми также пассивной помехой), приемник должен иметь достаточно большой
динамический диапазон, чтобы избежать подавления слабых сигналов движущих-
ся целей сильной помехой, вызывающей насыщение усилительных каскадов.
Динамический диапазон приемника, обычно выражаемый в децибелах, определяет-
ся [1] как отношение максимальной и минимальной мощностей входного сигнала,
при которых приемник может обеспечить требуемые рабочие характеристики.
Максимальный уровень сигнала ограничивается допустимыми нелинейными эф-
фектами в приемнике (например величиной мощности сигнала, при которой
характеристика усиления приемника начинает отличаться от линейной), а за ми-
нимальную мощность можно принять мощность самого слабого обнаруживаемого
сигнала. Процессор сигналов, в качестве которого часто рассматривают часть при-
емного тракта, работающего на промежуточной частоте, можно описать как
устройство, которое отделяет полезный сигнал от нежелательных сигналов, спо-
собных осложнить процесс обнаружения. Сигнальная обработка включает согласо-
ванный фильтр, который максимизирует отношение сигнал/шум на своем выходе.
Сигнальная обработка также включает обработку доплеровских сигналов, которая
максимизирует отношение сигнал/помеха для сигналов движущихся целей, когда
уровень пассивных помех больше, чем шум приемника. Это позволяет отделить
одну движущуюся цель от других движущихся целей и от пассивных помех. Реше-
ние об обнаружении принимается на выходе приемника: цель считается обнаружен-
ной, когда сигнал на выходе приемника превышает заранее установленный порог.
Если порог установлен слишком низко, шум приемника может вызвать частые
ложные срабатывания. Если порог установлен слишком высоко, то некоторые
цели, которые могли бы быть обнаружены, оказываются пропущенными. Крите-
рием установки порога на определенный уровень может быть требование допусти-
мой частоты ложных тревог, вызванных собственным шумом приемника.
После того как решение об обнаружении принято и измерены координаты
цели, может быть определена траектория ее движения, состоящая из совокупности
измерений координат в течение некоторого времени. Определение траектории —
это пример обработки радиолокационных данных. Обработанная информация об
обнаружении цели или ее траектории может быть показана оператору РЛС, или
может быть использована для автоматического наведения ракеты на цель, или же
далее обработана, чтобы получить другую, более детальную информацию о харак-
теристиках цели. Подсистема управления радиолокатором обеспечивает совместную
работу его различных частей и гарантирует их координацию, например, подавая
синхронизирующие сигналы к различным частям РЛС в соответствии с требова-
ниями.
Инженер — разработчик РЛС оперирует следующими ресурсами: временным
интервалом приема сигналов, который должен обеспечить хорошую спектральную
обработку принимаемых сигналов, шириной спектра сигнала, необходимой для вы-
сокой разрешающей способности по дальности, пространственным объемом, от ко-
торого зависят допустимые размеры антенны, и мощностью излучения для обеспе-
чения необходимой дальности действия и точных измерений. Внешние факторы,
воздействующие на рабочие характеристики РЛС, включают характеристики са-
мой цели, внешний шум, принимаемый антенной, мешающие отражения от земли,
моря, птиц и дождя, интерференцию с другими источниками электромагнитного
излучения и эффекты распространения сигнала, связанные с земной поверхностью
и состоянием атмосферы. Эти факторы упомянуты с целью подчеркнуть их значе-
ние в процессе проектирования и использования РЛС.
Радиолокационные передатчики. Передатчик РЛС должен не только обеспечи-
вать достаточную пиковую и среднюю мощности, требуемые для обнаружения
цели на максимальной дальности, но также генерировать сигнал с требуемой фор-
мой и стабильностью, необходимыми для решения специфических задач. Передат-
чики могут использовать генераторы или усилители мощности на выходе, но
последние обычно предпочтительны, так как имеют определенные преимущества.
Существует много типов источников высокочастотной мощности, используе-
мых в радиолокаторах (см. гл. 10). Магнетрон как генератор мощности был ког-
да-то очень популярен, но сейчас он редко используется, за исключением граж-
данских морских РЛС (см. гл. 22). Ввиду относительно низкой средней мощности
(один-два киловатта) и недостаточной стабильности частоты магнетроны уступают
другим источникам СВЧ-мощности, используемым в РЛС для обнаружения не-
больших движущихся целей на большой дальности при наличии сильных мешаю-
щих отражений. Магнетронный генератор мощности — пример устройств, называ-
емых приборами со скрещенными полями. Есть также родственный ему усилитель со
скрещенными полями (CFA — Сrossed-Field Amplifier), который использовался в не-
которых радиолокаторах в прошлом, но он также страдает наличием ограничений
для важных радиолокационных применений и особенно в РЛС для обнаружения
движущихся целей при наличии пассивных помех. Мощный клистрон и лампа бе-
гущей волны (ЛБВ) являются примерами СВЧ-приборов с продольной группировкой
электронов. При большой выходной мощности, часто требуемой радиолокаторами,
эти оба последних типа приборов имеют широкие полосы пропускания и высокую
стабильность, необходимую для обработки доплеровских сигналов, благодаря чему
они стали популярны.
Полупроводниковые усилители мощности, такие как транзисторные, также ис-
пользуются в радиолокаторах, особенно в их фазированных антенных решетках.
Хотя у одного транзистора относительно небольшая мощность, каждый из много-
численных антенных излучающих элементов антенной решетки может использо-
вать множество транзисторов, чтобы получить большую мощность, необходимую
для многих радиолокационных приложений. При использовании твердотельных
транзисторных усилителей разработчик РЛС должен быть в состоянии обеспечить
работу в высоконагруженном режиме, режиме работы длинными импульсами,
предполагающем сжатие сигналов, и в режиме работы с импульсами разной дли-
тельности, позволяющем осуществлять обнаружение как на малых, так и на боль-
ших дальностях. Таким образом, использование передатчиков на твердотельных
приборах может оказать влияние на другие части радиолокационной системы.
В миллиметровом диапазоне волн очень большая мощность может быть получена
с помощью гиротронов, используемых как усилитель или генератор. Электроваку-
умные приборы с сеточным управлением в течение долгого времени были востребо-
ваны в РЛС микроволнового диапазона и более низких частот, но интерес к ра-
диолокаторам низких частот в настоящее время невелик.
Хотя с этим не все могут согласиться, но некоторые инженеры — разработчи-
ки РЛС при наличии выбора предпочли бы клистронный усилитель в качестве ис-
точника большой СВЧ-мощности современного радиолокатора при условии, что
разрабатываемый локатор допускает применение клистронов.
Радиолокационные антенны. Антенна — этот тот элемент, который соединяет
РЛС с внешним миром (см. гл. 12, 13). Она выполняет несколько задач: 1) кон-
центрирует излучаемую энергию при передаче, то есть имеет направленное дейст-
вие и узкую ширину луча; 2) собирает энергию сигнала, отраженного от цели;
3) обеспечивает измерение углового положения цели; 4) обеспечивает пространст-
венное разрешение целей по угловым координатам; 5) позволяет выбрать для на-
блюдения желаемый сектор пространства. Антенна может быть параболическим
зеркалом с механическим приводом сканирования, плоской фазированной решет-
кой с механическим сканированием или антенной продольного излучения также
с механическим сканированием. В качестве антенны может использоваться фази-
рованная решетка с электронным управлением лучом, использующая единствен-
ный передатчик с параллельным возбуждением излучателей или с пространствен-
ным (квазиоптическим) способом питания каждого элемента антенны. Это может
быть пространственно-развернутая структура с распределением мощности излуче-
ния между ее отдельными элементами или антенная решетка с электронным ска-
нированием, каждый элемент которой — «миниатюрный» твердотельный радиоло-
катор (называется также активной фазированной антенной решеткой). У каждого
типа антенны есть свои специфические преимущества и ограничения. Вообще го-
воря, чем больше размеры антенны, тем лучше, но всегда существуют практиче-
ские ограничения ее размеров.
1.2. Типы радиолокаторов
Хотя не существует никакого единственного способа классифицировать радиоло-
каторы, здесь мы это сделаем на основании основных особенностей, которые от-
личают один тип РЛС от другого.
Импульсный радиолокатор. Это радиолокатор, который излучает последователь-
ность периодически повторяющихся почти прямоугольных радиоимпульсов. Этот
тип РЛС можно назвать канонической формой радиолокатора. Именно его имеют
в виду обычно, когда ничего не сказано о каких-либо характеристиках РЛС.
Радиолокатор высокого разрешения (с высокой разрешающей способностью).
Высокая разрешающая способность может относиться к дальности, углу или ра-
диальной скорости, но под радиолокатором с высоким разрешением обычно
подразумевают РЛС с высокой разрешающей способностью по дальности. У не-
которых радиолокаторов высокого разрешения разрешающая способность по
дальности измеряется долями метра, хотя она может достигать и нескольких
сантиметров.
Радиолокатор со сжатием импульсов. Это радиолокатор, излучающий длинные
импульсы с внутриимпульсной модуляцией (обычно частотной или фазовой), что-
бы совместить большую энергию длинного импульса с высоким разрешением по
дальности, присущей коротким импульсам.
Радиолокатор непрерывного излучения (РЛС НИ, CW radar — Continuous Wave radar)
1. Этот тип РЛС излучает непрерывную синусоидальную радиоволну. Его
основное назначение — использование доплеровского сдвига частоты для обнару-
жения движущихся целей или для измерения относительной радиальной скорости
цели.
Радиолокатор с непрерывным частотно-модулированным сигналом (РЛС HЧМС,
FM-CW radar — Frequency Modulation CW radar)2. Это радиолокатор непрерывного
излучения, в котором частотная модуляция сигнала дает возможность измерения
дальности.
Обзорный радиолокатор (РЛС обзора — Surveillance Radar). Хотя словарь переда-
ет смысл слова «surveillance» как наблюдение, но на самом деле РЛС обзора — это
такой радиолокатор, который обнаруживает присутствие цели (такой как самолет
или судно) и определяет ее координаты по дальности и углу. В его задачи может
входить наблюдение цели в течение некоторого времени, чтобы проследить траек-
торию ее движения.
Радиолокатор с системой селекции движущихся целей (РЛС с СДЦ, индикатор
движущихся целей, MTI — Moving Target Indication)1. Это импульсный радиоло-
катор, который обнаруживает движущиеся цели при наличии пассивных помех,
используя низкую частоту повторения импульсов (ЧПИ, PRF — Pulse Repetition
Frequency)2. Низкая ЧПИ обеспечивает однозначность измерения дальности, од-
нако ей присуща неоднозначность в области доплеровских частот, из чего следует
существование так называемых «слепых скоростей».
Импульсно-доплеровский радиолокатор. Есть два типа импульсно-доплеровских
РЛС, которые излучают импульсный сигнал либо с высокой ЧПИ (РЛС ВЧП,
НPRF — High Pulse Repetition Frequency), либо со средней ЧПИ (РЛС СЧП)3.
И та и другая используют доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала,
чтобы идентифицировать сигналы движущихся целей на фоне мешающих отраже-
ний и определить радиальную скорость их движения. У РЛС с ВЧП отсутствуют
неоднозначность в частотной области и слепые скорости, но ей присуща неодно-
значность измерения дальности. У РЛС с СЧП имеется неоднозначность как по
дальности, так и по скорости, хотя есть другие достоинства.
РЛС сопровождения. Это радиолокатор, который осуществляет слежение за
целью, определяя параметры траектории ее движения. Различные способы осу-
ществления сопровождения и соответствующие режимы работы РЛС, обозначае-
мые как STT, ADT, TWS и следящие ФАР, описаны ниже.
Сопровождение одной цели (STT — Single Target Tracker)4. РЛС сопровождает
единственную цель по угловым координатам, постоянно оценивая направление
визирования со скоростью обновления данных, которая является достаточно вы-
сокой, чтобы обеспечить точное слежение за маневренной целью. Типичный ин-
тервал времени между двумя последовательными оценками — 0,1 с. (темп обнов-
ления данных — 10 измерений в секунду). Эти системы обычно используют
моноимпульсный метод пеленгации для получения точных данных об угловых ко-
ординатах.
Автоматическое обнаружение и сопровождение (ADT — Automatic Detection and
Tracking)5. Этот режим работы выполняется обзорной РЛС. Локатор может сопро-
вождать очень большое количество целей, используя данные измерений их угловых
координат, полученные по множеству последовательных обзоров. Данный режим
часто называют режимом сопровождения целей «на проходе». Скорость обновления
данных в этом методе не столь высока, как при STT. Время между последователь-
ными измерениями в этом режиме колеблется от 1 до 12 секунд в зависимости от
приложения.
Сопровождение в режиме обзора (TWS — Track-While-Scan). Этот метод сопро-
вождения также осуществляется обзорной РЛС, выполняющей сканирование
пространства в узкой области пространства по одному или двум угловым измере-
ниям. Тем самым обеспечивается высокая скорость обновления информации о
координатах всех целей, находящихся в пределах ограниченной зоны обзора по
углам. Этот метод использовался в прошлом в наземных РЛС, сопровождающих
самолеты при посадке, а также в некоторых типах РЛС наведения оружия и в
некоторых бортовых радиолокаторах военного назначения.
Следящая ФАР. Фазированная решетка с электронным управлением лучом
может (почти) непрерывно сопровождать более чем одну цель с высокой ско-
ростью обновления данных. Возможно также одновременное сопровождение
множества целей при более низкой скорости передачи данных, аналогичное ме-
тоду ADT.
РЛС картографирования. Этот тип РЛС предназначен для получения двумер-
ных радиолокационных изображений протяженных объектов, таких как часть по-
верхности Земли и всего, что на ней находится. Эти радиолокаторы обычно уста-
навливаются на движущихся платформах.
Бортовая РЛС бокового обзора (SLAR — Sidelooking Airborne Radar)1. Эта само-
летная РЛС картографирования формирует радиолокационные изображения с вы-
соким разрешением по дальности и подходящим разрешением по углу благодаря
узкой ширине луча антенны.
РЛС с синтезированной апертурой (РСА, SAR — Synthetic Aperture Radar)2. РСА —
когерентный* радиолокатор картографирования, размещенный на движущемся
летательном аппарате, который использует фазовую информацию отраженного сиг-
нала для формирования изображения подстилающей поверхности с высоким про-
странственным разрешением в продольном и поперечном направлениях. Высокое
разрешение по дальности достигается за счет сжатия импульсов.
РЛС с инверсной (обратной) синтезированной апертурой (ИРСА, ISAR — Inverse
Synthetic Aperture Radar)3. ИРСА — когерентная РЛС формирования изображений
сложных движущихся целей, обладающая высоким разрешением по дальности и
столь же высоким разрешением в поперечном направлении. Высокое поперечное
разрешение достигается благодаря относительному боковому движению цели и со-
ответствующей обработке отраженного сигнала в частотной области. Эта РЛС мо-
жет располагаться на движущемся носителе или быть стационарной.
РЛС управления оружием. Это название обычно относится к следящей системе
сопровождения одной цели, такая система используется для защиты от воздушно-
го нападения.
РЛС наведения. Обычно это радиолокатор, установленный на ракете, которая
позволяет последней «нацелиться» на объект или осуществлять самонаведение
на цель.
Метеорологический радиолокатор наблюдения. Данные радиолокаторы обнару-
живают, распознают и измеряют такие параметры, как интенсивность осадков, на-
правление и скорость ветра, осуществляют наблюдение за другими атмосферными
явлениями, важными для метеорологических целей. Они могут быть специализи-
рованными метео-РЛС или быть реализованы в качестве одной из функций обзор-
ных РЛС.
Доплеровская метеорологическая РЛС. Это радиолокатор наблюдения за пого-
дой, который использует доплеровский сдвиг частоты, вызванный движущимися
атмосферными массами, чтобы определить скорость ветра и резкие изменения его
направления и скорости. Такая РЛС может указать на опасные погодные явления,
такие как торнадо или резкие нисходящие воздушные потоки и другие метеороло-
гические эффекты.
РЛС распознавания целей. В ряде случаев оказывается важным распознать тип
цели, наблюдаемой радиолокатором (например автомобиль или птица), определить
ее подтип (легковой автомобиль или грузовик, скворец или воробей) или отличить
цель одного класса от другого (круизный лайнер от танкера). В системах военного
назначения эту задачу обычно называют некооперативным радиолокационным распо-
знаванием целей (NCTR — Noncooperative Target Recognition) в противовес коопе-
ративной системе распознавания, такой как система опознавания «свой—чужой»
(IFF — Identification Friend or Foe), которая не является радиолокационной1. Когда
распознавание относится к природным объектам и окружающей среде, то РЛС,
предназначенную для этой задачи, обычно называют радиолокатором дистанционно-
го зондирования (окружающей среды).
Многофункциональная РЛС. Если каждая из вышеупомянутых РЛС полагалась
выполняющей какую-либо одну радиолокационную функцию, то многофункцио-
нальная РЛС предназначена для выполнения более чем одной такой функции.
Причем обычно в каждый момент времени выполняется одна функция, то есть ре-
ализуется режим разделения времени.
Есть много иных способов описать радиолокаторы, принимая во внимание
место их установки: земля, море, авиационный носитель, космический аппарат;
степень мобильности: мобильный, транспортабельный, стационарный; назначе-
ние: авиадиспетчерская служба, военного применения, подповерхностного зон-
дирования, загоризонтные, инструментальные; особенности частотного диапазона,
в котором они работают: УВЧ, L, S, лазерные (лидары), сверширокополосные,
и другие параметры.
1.3. Информация, извлекаемая
с помощью радиолокаторов
Само по себе обнаружение целей имеет небольшую ценность, если никакой дру-
гой информации о цели не извлекается. Аналогично информация о цели без ее
обнаружения также бессмысленна.
Дальность. Вероятно, главный отличительный признак типового радиолокато-
ра — его способность определить расстояние до цели путем измерения времени
распространения сигнала от радиолокатора до цели и обратно. Никакой другой
измерительный прибор (сенсор) не может измерить расстояние до объекта, нахо-
дящегося на большой дальности, с точностью, обеспечиваемой радиолокатором.
Ограничение точности дальнометрии на больших дальностях связано в основном
с точностью знания скорости распространения электромагнитной волны в среде.
При умеренных дальностях точность может составлять несколько сантиметров.
Для измерения временной задержки излучаемый сигнал должен иметь своего рода
метки времени. Метками времени могут служить короткие импульсы (амплитудная
модуляция сигнала), но это может быть также периодическая частотная или фазо-
вая модуляция. Точность измерения расстояния зависит от ширины полосы частот
зондирующего сигнала: чем шире полоса, тем больше точность. Таким образом,
ширина полосы — основной показатель точности измерения дальности.
Радиальная скорость. Радиальная скорость цели может быть вычислена как
изменение ее дальности за единицу времени, но она может быть также оценена
с помощью измерения доплеровского сдвига частоты. Точное измерение ради-
альной скорости требует времени. Следовательно, время — основной параметр,
определяющий точность измерения радиальной скорости. Скорость и направле-
ние движения цели могут быть найдены по ее траектории, которая определяется
радиолокатором путем измерений координат цели в течение некоторого интерва-
ла времени.
Угловое направление цели. Один из методов измерения углового направления
цели состоит в определении угла, при котором величина отраженного сигнала на
выходе сканирующей антенны максимальна. Этот метод обычно требует использо-
вания антенны с узкой шириной луча (антенны с высоким коэффициентом усиле-
ния). РЛС для обзора воздушного пространства с вращающимся антенным лучом
определяет угловое положение цели именно таким способом. Направление на
цель в одном угловом измерении может также быть определено при помощи двух
антенных лучей, несколько смещенных по углу относительно друг друга, путем
сравнения амплитуды отраженных сигналов в каждом луче. Для одновременного
измерения азимута цели и угла места (возвышения над горизонтом) необходимы
четыре луча. Хорошим примером такого метода является моноимпульсная радио-
локационная станция сопровождения, описанная в главе 9. Точность угловых из-
мерений зависит от электрического размера антенны, то есть от размера антенны,
выраженного в длинах волны.
Размер и форма цели. Если РЛС обладает достаточной разрешающей способно-
стью по дальности или углу, то она может выполнять измерения размеров цели по
той координате, где имеется высокое разрешение. Обычно удается достичь высо-
кой разрешающей способности по дальности, то есть в продольном направлении.
Высокое разрешение в поперечном направлении, равное произведению дальности
на ширину луча антенны, может быть получено только при очень узкой ширине
луча. Однако ширина луча антенны ограничена максимальными размерами антен-
ны. Таким образом, поперечное разрешение, полученное этим методом, не может
быть столь же высоким, как разрешающая способность по дальности. Очень высо-
кое поперечное разрешение может быть получено при анализе доплеровского
спектра отраженных сигналов. Этот метод используется в РСА (РЛС с синтезиро-
ванной апертурой) и ИРСА (РЛС с инверсной синтезированной апертурой), кото-
рым посвящена глава 17. Получить высокое поперечное разрешение с помощью
РСА и ИРСА можно только при наличии бокового перемещения локатора относи-
тельно цели или цели относительно локатора. Если имеется достаточное разреше-
ние и в продольном и в поперечном направлениях, то помимо оценки размеров
цели возникает возможность оценить ее форму и использовать эту информацию
для различения целей.
Важность ширины полосы частот в радиолокации. Ширина полосы частот связана
с информационной емкостью или объемом информации, передаваемой за единицу
времени, следовательно, это очень важный параметр для многих радиолокационных
приложений. Есть два типа ширины полосы, с которыми приходится иметь дело ра-
диолокации. Первый тип — ширина полосы сигнала, которая определяется длитель-
ностью импульса или шириной спектра внутриимпульсной модуляции сигнала.
Второй тип — ширина полосы настройки. Сигнальная ширина полосы простого ра-
диоимпульса длительностью равна 1/ . Сложные импульсные сигналы, описанные
в главе 8, могут иметь ширину полосы, намного большую, чем обратная величина
длительности импульса. Широкая сигнальная полоса необходима для высокого раз-
решения по дальности, для точного измерения дальности цели и для того, чтобы
иметь некоторую возможность различения одного типа цели от другого. Высокое
разрешение по дальности также может быть полезным для уменьшения эффектов
мерцания в РЛС сопровождения для реализации одного из методов оценки высоты
полета воздушных целей, основанного на измерении задержки между прямым отра-
женным сигналом и сигналом, переотраженным земной поверхностью (называемо-
го методом многолучевого определения высоты). Высокое разрешение по дальности
способствует повышению отношения сигнал/помеха. В военных системах высокая
разрешающая способность по дальности может использоваться для подсчета коли-
чества отдельных целей в плотной группе воздушных судов, а также для обнаруже-
ния и защиты от некоторых типов радиоэлектронного противодействия.
Ширина полосы настройки предполагает возможность изменять (перестраивать)
рабочую частоту сигнала в пределах широкого диапазона выделенного спектра. Это
может использоваться для того, чтобы понизить взаимные помехи среди РЛС, рабо-
тающих в той же самой полосе частот, и для того, чтобы сделать радиоэлектронное
противодействие противника менее эффективным. Чем выше рабочая частота, тем
легче получить широкую полосу сигнала и широкую полосу настройки.
Ограничение на доступность частотного спектра, выделяемого радиолокацион-
ным системам, устанавливают национальные правительственные регулирующие
агентства (в Соединенных Штатах — Федеральная комиссия по связи FCC — International
Telecommunications Union), а на международном уровне — Международный
союз электросвязи (ITU — International Telecommunication Union). После успешного
применения радиолокации во Второй мировой войне радиолокационным системам
выделили более одной трети всего микроволнового диапазона. За прошедшие годы
выделенная область спектра была значительно сокращена в связи с появлением
многих коммерческих пользователей спектра, работающих в «эру беспроводных
технологий», и других служб, требующих своей доли спектра электромагнитных
волн. Таким образом, инженер — разработчик РЛС все острее и острее чувствует
дефицит доступных областей спектра и сложность размещения требуемой полосы
частот, которая является жизненно важной для успеха многих радиолокационных
приложений.
Отношение сигнал/шум. Точность всех радиолокационных измерений, как и
достоверность обнаружения целей, зависит от отношения E/N0, где E — полная
энергия принятого сигнала после его обработки радиолокатором и N0 — мощность
шума на единицу ширины полосы пропускания приемника. Таким образом, отно-
шение E/N0 — важный критерий возможностей РЛС.
Многочастотная работа. Возможность работы на более чем одной рабочей часто-
те дает радиолокатору важные преимущества [2]. Под быстрой перестройкой часто-
ты обычно имеется в виду изменение несущей частоты от импульса к импульсу. Ча-
стотное разнесение обычно предполагает использование множества частот, которые
широко разнесены по спектральной оси — иногда на несколько радиолокационных
диапазонов. При использовании частотного разнесения РЛС может работать на
каждой частоте одновременно или почти одновременно. Этот метод использовался
почти во всех гражданских радиолокаторах управления воздушным движением. Бы-
страя перестройка частоты, однако, несовместима с использованием доплеровской
обработки сигналов для обнаружения движущихся целей при воздействии пассив-
ных помех, а частотное разнесение может быть совместимым с таким применением.
Частотный диапазон, занимаемый сигналом, и при быстрой перестройке, и при раз-
несении намного больше, чем ширина полосы простого импульса длительностью .
Устранение провалов диаграммы направленности по углу места. Работа радиоло-
катора на единственной частоте может привести к образованию лепесткового харак-
тера диаграммы излучения антенны в вертикальной плоскости в результате интер-
ференции прямого сигнала (РЛС — цель) и рассеянного поверхностью сигнала
(РЛС — поверхность земли — цель). Под лепестковым характером излучения мы
подразумеваем пониженное излучение под некоторыми углами места (провалы)
и увеличенную мощность сигнала под другими углами (выступы). Изменение час-
тоты позволяет изменить локализацию провалов и выступов так, чтобы провалы, су-
ществующие на одной частоте, компенсировались выступами на другой частоте и
результирующая диаграмма излучения в целом стала бы более гладкой. При этом
вероятность пропуска отраженного сигнала цели должна уменьшиться. Например,
измерения, проводимые с помощью широкополосного экспериментального радио-
локатора, известного как Senrad, работающего на частотах от 850 до 1400 МГц, по-
казали, что в одночастотном режиме работы усредненная по большому числу на-
блюдений вероятность появления отметки цели при сканировании была равна 0,78.
Когда же радиолокатор работал на четырех различных сильно разнесенных частотах,
вероятность появления отметки цели при сканировании стала равной 0,98 — очень
существенное увеличение, обусловленное только частотным разнесением [2].
Повышение вероятности обнаружения целей. Эффективная площадь отражения
(ЭПО) сложной цели, такой как самолет, может очень существенно меняться
с изменением частоты излучения. На некоторых частотах ЭПО будет малой величи-
ной, а на других — большой. Если РЛС работает в одночастотном режиме, то суще-
ствует вероятность получить слабый отраженный сигнал и, как следствие, пропуск
цели. При смене частот ЭПО цели оказывается то малой, то большой, и успешное
обнаружение становится более вероятным, чем при работе на единственной частоте.
Это одна из причин, по которой почти все РЛС управления воздушным движением
работают на двух частотах. При этом рабочие частоты разнесены на такую величину,
при которой отраженные от цели сигналы оказываются взаимно некоррелирован-
ными, поэтому вероятность обнаружения увеличивается.
Понижение эффективности электронного противодействия противника. Любой
реальный радиолокатор военного назначения должен быть готов к использованию
противником мер радиоэлектронного подавления, снижающих эффективность это-
го локатора. Работа в широком диапазоне частот делает радиопротиводействие бо-
лее трудным, чем при работе на одной частоте. При использовании шумовой загра-
дительной помехи изменение частоты непредсказуемым для противника способом в
широкому частотному диапазону. Следовательно, снижается мощность помехи в
полосе частот, занимаемой сигналом радиолокатора в момент отдельного зондиро-
вания. Частотное разнесение в широкой полосе также делает более трудным (но
возможным) перехват рабочей частоты приемником противника, а противорадиоло-
кационной ракете это затрудняет обнаружение и наведение на РЛС.
Доплеровское смещение частоты в радиолокации. Важность учета доплеровского
сдвига частоты для импульсного радиолокатора была оценена вскоре после Второй
мировой войны. Его использование со временем становилось все более и более
важным фактором во многих радиолокационных приложениях. Современный ра-
диолокатор был бы намного менее интересным или полезным, если бы эффект
Доплера не существовал. Доплеровский сдвиг частоты fd может быть найден в со-
ответствии с выражением
fd = 2vr / = (2v cos ) / , (1.1)
где vr = v cos — относительная скорость цели (по отношению к РЛС) в м/с, v —
абсолютная скорость цели в м/с, — длина волны РЛС в метрах и — угол между
вектором скорости движения цели и линией визирования. С точностью примерно
3% доплеровская частота в герцах приблизительно равна скорости vr в узлах, поде-
ленной на длину волны в метрах.
Доплеровский сдвиг частоты широко используется для выделения движущих-
ся целей на фоне неподвижных мешающих отражателей, как это описано в гла-
вах 2—5. Такие радиолокаторы известны как РЛС с СДЦ (РЛС с системой селек-
ции движущихся целей), бортовая РЛС с СДЦ и импульсно-доплеровские РЛС.
Все современные РЛС управления воздушным движением, все важные военные
наземные радиолокаторы, бортовые РЛС обзора воздушного пространства и все
самолеты-истребители используют в своих интересах эффект Доплера. Отметим,
что во время Второй мировой войны ни один импульсный радиолокатор не ис-
пользовал эффект Доплера. Радиолокаторы с непрерывным излучением также ис-
пользуют эффект Доплера для обнаружения движущихся целей, но практическое
применение данных РЛС для этих целей сейчас не столь популярно, как это было
в свое время. Загоризонтные РЛС декаметрового диапазона (см. гл. 20) не могли
бы обнаружить ни одной движущейся цели из-за очень сильных отражений от по-
верхности Земли без использования эффекта Доплера.
Другим существенным радиолокационным приложением, зависящим от до-
плеровского смещения частоты, являются РЛС наблюдения за погодой, такие как
РЛС Nexrad американской Национальной метеорологической службы (см. гл. 19).
Принцип работы РСА и ИРСА может быть описан с точки зрения использо-
вания доплеровского сдвига частоты (см. гл. 17). Бортовая доплеровская метео-
рологическая РЛС также основана на доплеровском смещении. Использование
эффекта Доплера в радиолокаторах, вообще говоря, налагает большие требова-
ния на стабильность передатчика РЛС и повышает сложность обработки сигна-
лов. Тем не менее эти требования охотно принимаются разработчиками, чтобы
достигнуть существенных преимуществ, предоставляемых эффектом Доплера.
Нужно также отметить, что доплеровское смещение — ключевая способность ра-
диолокаторов, предназначенных для измерения скорости, например полицей-
ских радаров, предназначенных для слежения за ограничением скорости транс-
портных средств, и других приложений, где требуется дистанционное измерение
скорости.
1.4. Уравнение дальности действия радиолокатора
Уравнение дальности действия радиолокатора (или для краткости уравнение ра-
диолокации1) не только служит очень полезной цели — расчету дальности дейст-
вия как функции характеристик радиолокатора, но также полезно как ориентир
при проектировании радиолокационных систем. Простая форма уравнения радио-
локации выглядит следующим образом:
P
PG
R R
r A
t t
e
4 2 4 2
. (1.2)
Правая сторона уравнения записана как произведение трех сомножителей,
чтобы отразить имеющие место физические процессы. Первый сомножитель спра-
ва — плотность потока мощности излученного сигнала на расстоянии R от радиоло-
катора, излучающего мощность Pt антенной с коэффициентом усиления Gt. Чис-
литель второго сомножителя — эффективная площадь отражения (ЭПО) цели.
Она имеет размерность площади (например квадратные метры) и является мерой
энергии, переизлученной целью назад в направлении радиолокатора. Знаменатель
второго сомножителя учитывает рассеяние отраженного сигнала на его обратном
пути к радиолокатору. Произведение первых двух множителей представляет собой
мощность отраженной радиоволны, падающей на единичную площадь приемной
антенны радиолокатора. Отметим, что определение эффективной площади отра-
жения цели следует именно из этого уравнения. Приемная антенна, имеющая эф-
фективную площадь Ae, собирает мощность Pr отраженного сигнала, вернувшегося
к радиолокатору. Если максимальную дальность действия радиолокатора Rmax
определить из условия равенства мощностей принятого сигнала и минимального
обнаруживаемого сигнала радиолокатора Smin, то простая форма уравнения радио-
локации будет выглядеть следующим образом:
R
PG A
S
t t e
max
( ) min
4
4 2
. (1.3)
Большинство РЛС использует одну антенну и для передачи, и для приема. Из тео-
рии антенн известно соотношение между коэффициентом усиления антенны Gt на
передачу и ее эффективной площадью на прием: Gt = 4 ·Ae / 2, где — длина
волны РЛС. Подстановка этого выражения в (1.3) дает две других полезных фор-
мы записи уравнения радиолокации (непоказанные здесь). Одна из них представ-
ляет антенну только ее коэффициентом усиления, другая — только ее эффектив-
ной площадью.
Простая форма уравнения радиолокации поучительна, но не очень полезна,
так как не учитывает много факторов. Минимальный обнаруживаемый сигнал
ограничен шумом приемника и может быть выражен как
Smin = kT0BFn (S/N)1. (1.4)
В этом выражении kT0·B — так называемый тепловой шум нагретого омического
проводника, где k — постоянная Больцмана, T0 — стандартная температура 290 °K
и B — ширина частотной полосы приемника (обычно это ширина полосы УПЧ,
если используется приемник супергетеродинного типа). Произведение kT0 равно
4·1021
Вт/Гц. Чтобы учесть дополнительный шум, вносимый реальным (неиде-
альным) приемником, выражение теплового шума умножается на коэффициент
шума Fn приемника, определенный как отношение мощности шума реального
приемника к мощности шума идеального приемника. Принятый сигнал считается
обнаруживаемым, если его мощность больше, чем мощность шума приемника,
умноженная на коэффициент, обозначенный здесь как (S/N)1. Эта величина — от-
ношение сигнал/шум (S/N)1, необходимое для обнаружения, если принимается
только один импульс. Это отношение должно быть достаточно большим, чтобы
при заданной вероятности ложной тревоги (возникающей, когда шум превышает
порог приемника) получить заданную вероятность правильного обнаружения (как
это описано во множестве учебников по радиолокации [3, 4]). Однако радиолока-
торы, вообще говоря, принимают больше одного импульса прежде чем принять
решение об обнаружении. Мы полагаем, что зондирующий сигнал радиолокато-
ра — периодическая последовательность почти прямоугольных радиоимпульсов.
Эти импульсы интегрируются (суммируются) перед тем, как будет вынесено ре-
шение об обнаружении. Чтобы учесть эти добавленные сигналы, числитель урав-
нения радиолокации умножается на коэффициент n·E(n), где E(n) — показатель
эффективности операции сложения n импульсов вместе. Эта величина может так-
же быть найдена в стандартных учебниках и справочниках.
Мощность Pt — пиковая мощность импульса радиолокатора. Средняя мощ-
ность Pav лучше характеризует способность РЛС обнаруживать цели, и поэтому
иногда ее включают в уравнение радиолокации с помощью подстановки Pt =
= Pav / fp· , где fp — частота повторения импульсов радиолокатора и — длитель-
ность импульса. Поверхность Земли и ее атмосфера могут сильно воздействовать
на распространение электромагнитных волн и изменить область действия и воз-
можности радиолокатора. В уравнении радиолокации эти эффекты распростране-
ния учитываются коэффициентом F4 в числителе правой части уравнения, как
описано в главе 26. С учетом упомянутой подстановки простая форма уравнения
радиолокации записывается в виде
R
P GA nE n F
kT F f S N L
e i
n p s
max
( )
( ) ( / )
4
4
2
4 0 1
av
. (1.5)
В процессе вывода уравнения (1.5) полагалось, что B· Ј 1, что обычно примени-
мо к радиолокационным приемникам. Коэффициент Ls (больший, чем единица),
называемый коэффициентом системных потерь, добавлен в выражение, чтобы
учесть множество источников потерь, которые могут возникнуть в радиолокаторе.
Коэффициент потерь может быть довольно большим. Если системными потерями
пренебречь, то при расчете ожидаемой дальности действия радиолокатора можно
совершить очень грубую ошибку. Величина потерь от 10 до 20 дБ считается весьма
обычной, когда приняты во внимание все источники потерь радиолокационной
системы.
Уравнение (1.5) применимо к радиолокатору, который наблюдает цель доста-
точно долго, чтобы принять n отраженных импульсов. Более строго оно примени-
мо, если время наблюдения цели t0 равно n/fp. Примером может служить РЛС со-
провождения, которая непрерывно наблюдает единственную цель в течение
времени t0. Для обзорной РЛС это уравнение, однако, должно быть модифици-
ровано. Допустим, что обзорная РЛС наблюдает пространственную зону протя-
женностью стерадиан с периодом обзора (периодом возврата к той же точке
пространства) ts. У РЛС авиадиспетчерской службы это время составляет от 4 до
12 секунд. Таким образом, у обзорной РЛС появляется дополнительное ограниче-
ние, связанное с необходимостью просмотреть пространственную зону за время
ts. Период обзора ts равен t0·( / 0), где t0 = n/fp и 0 — пространственная ширина
луча антенны (стерадианы), связанная с коэффициентом усиления антенны G
приближенным соотношением G = 4 / 0. Заменяя n/fp в (1.5) эквивалентным вы-
ражением 4 ts/G , получим уравнение радиолокации для обзорной РЛС
R
P A E n F
kT F S N L
e i t
n s
s
max
( )
( ) ( / )
4
4
2
4 0 1
av
. (1.6)
Разработчик РЛС имеет небольшое влияние на выбор времени обзора ts и размера
зоны обзора , которые определены главным образом задачами, выполняемыми
РЛС. Эффективная площадь отражения также определена назначением РЛС. Если
к обзорной РЛС предъявляется требование большой дальности действия, то у
такой РЛС должна быть достаточно большая величина произведения Pav·Ae
1. По-
этому общим показателем возможностей обзорной РЛС является энергетическо-
апертурный коэффициент. Заметим, что рабочая частота не присутствует явно в
уравнении обзорной РЛС. Выбор частоты, однако, будет сделан неявно другими
способами.
Подобно тому, как уравнение радиолокации для обзорной РЛС отличается от
общепринятой формы уравнения (1.5) или простой формы (1.2), каждый особенный
тип радиолокаторов, вообще говоря, должен использовать уравнение радиолока-
ции, скроенное по типу этого локатора. Если мешающие отражения от земли, моря
или атмосферных объектов превышают шум приемника, уравнение радиолокации
должно быть модифицировано так, чтобы учесть помехи, мешающие обнаружению
в большей степени, чем шум приемника. Может сложиться ситуация, при которой
возможности обнаружения целей в одной области действия РЛС ограничиваются
пассивной помехой, а в другой — собственным шумом приемника. В этих условиях
могут существовать два набора характеристик РЛС: один — оптимизированный для
шума и другой — оптимизированный для помехи. Тогда при выборе технических
параметров РЛС разработчику приходится идти, как это всегда бывает, на компро-
миссные решения. Совсем другой вид уравнение радиолокации принимает, когда
дальность действия РЛС ограничена радиопротиводействием противника.
1.5. Диапазоны рабочих частот
и их буквенные обозначения
Не всегда удобно указывать точные числовые границы частотного диапазона, в ко-
тором работает та или иная РЛС. Для многих РЛС военного назначения точное
значение рабочей частоты обычно не раскрывается. Таким образом, использова-
ние буквенных обозначений диапазонов частот, в которых работают радиолокато-
ры, оказывается очень полезным. ИИЭР — Институт инженеров по электротехни-
ке и радиоэлектронике, IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineers,
официально стандартизировал буквенные обозначения радиолокационных диапа-
зонов волн (частот), которые приведены в табл. 1.1.
Таким образом, радиолокатор L-диапазона может работать только в пределах
полосы частот от 1215 до 1400 МГц, и даже в пределах этой полосы могут быть
ограничения. Некоторые из выделенных ITU диапазонов ограничены в использо-
вании, например, полоса частот между 4,2 и 4,4 ГГц зарезервирована (с несколь-
кими исключениями) для авиационных бортовых радиовысотомеров. Нет никаких
частот, официально выделенных ITU для радиолокации, в HF-диапазоне, но боль-
шинство HF-радиолокаторов делит частоты с другими радиосистемами. Буквенное
обозначение диапазона миллиметровых волн для радиолокаторов — mm, и есть
несколько частотных полос, выделенных радиолокационным системам в этой об-
ласти, но они не указаны в таблице. Хотя официальные границы диапазона мил-
лиметровых волн, установленные ITU, — от 30 до 300 ГГц, в действительности
технические решения РЛС Ka-диапазона* ближе к технологиям микроволновых
частот, чем к технологиям W-диапазона. Специалисты, работающие с радиолока-
ционной техникой миллиметровых волн, часто рассматривают этот частотный
диапазон как имеющий нижнюю границу 40 ГГц, а не «законную» нижнюю гра-
ницу 30 ГГц с учетом значительной разницы в технологиях и областях при-
менения радиолокаторов микроволнового и миллиметрового диапазонов. Поня-
тие «микроволны» не было определено этим стандартом, но этот термин вообще
относится к РЛС, которые работают на частотах от УВЧ до Ka. Есть причина,
по которой буквенные обозначения диапазонов оказались малознакомыми инже-
нерам нерадиолокационного профиля. Она состоит в том, что эти обозначения
были первоначально использованы для описания рабочих частот радиолокаторов
периода Второй мировой войны. Секретность того времени требовала, чтобы соот-
ветствие буквенных обозначений и реальных диапазонов частот, на которых рабо-
тали РЛС, было известно только узким специалистам. У инженеров, работающих
в области радиолокации, редко возникают трудности с использованием буквенных
обозначений радиолокационных диапазонов.
Для обозначения других диапазонов электромагнитных волн используются
другие буквы латинского алфавита, но эти диапазоны малопригодны для радиоло-
кационных приложений, поэтому соответствующие обозначения никогда не ис-
пользовались в радиолокационной практике. Одна из систем условных обозначе-
ний диапазонов радиоволн использует буквы A, B, C и т.д. Эта система была
первоначально разработана для частотных диапазонов систем радиоэлектронного
подавления [7]. Упомянутый ранее стандарт IEEE отмечает, что эти обозначения
«несовместимы с радиолокационной практикой и не должны использоваться для
описания диапазонов рабочих частот радиолокаторов». Таким образом, может су-
ществовать станция помех D-диапазона, но не может быть РЛС D-диапазона
1.6. Влияние рабочей частоты радиолокатора
на его характеристики
Диапазон рабочих частот известных к настоящему времени радиолокаторов про-
стирается от 2 МГц (только немного выше диапазона AM-радиовещания) до не-
скольких сотен гигагерц (область миллиметровых волн). Однако чаще частоты
РЛС лежат в интервале от 5 МГц до 95 ГГц, редко выше. Это очень широкая об-
ласть частот, и, следовательно, нужно ожидать, что технические решения, исполь-
зуемые в РЛС, их характеристики и сфера применения значительно меняются в
зависимости от частотного диапазона, в котором эта РЛС работает. У РЛС каждо-
го конкретного диапазона обычно имеются определенные свойства и характерис-
тики, отличающие его от РЛС других диапазонов частот. Вообще большую даль-
ность действия легче получить на более низких частотах, потому что проще
создать мощные передатчики и физически большие антенны более низких частот.
С другой стороны, на более высоких частотах легче достичь большей точности
измерений дальности и других координат, потому что более высокие частоты
предоставляют более широкую полосу для размещения спектра сигнала, ширина
ность по дальности. На высоких частотах также проще создать остронаправленную
антенну при ограниченных физических размерах самой антенны, поскольку угло-
вая точность и угловое разрешение определяются отношением длины волны к
размеру антенны. Далее кратко описаны практические применения радиолока-
ционных систем в зависимости от используемого диапазона частот. Различия в ис-
пользовании смежных диапазонов, однако, редко оказываются принципиальными,
поэтому возможно перекрытие в характеристиках РЛС, относящихся к смежным
диапазонам частот.
HF (ВЧ)1 (3—30 МГц). Основным назначением РЛС ВЧ-диапазона (глава 20)
является обнаружение целей на очень больших дальностях (до 2000 морских миль)
с использованием явления отражения ВЧ-радиоволны от ионосферы, находящей-
ся высоко над поверхностью Земли. Радиолюбители называют это явление корот-
коволновым распространением и используют для общения на больших расстояниях.
Целями для РЛС ВЧ-диапазона могут быть самолеты, суда, баллистические раке-
ты, а также отражения от самой морской поверхности, которые несут информа-
цию о направлении и скорости ветра, создающего волнение моря.
VHF (ОВЧ) (30—300 МГц). В начальный период появления радиолокаторов
в 1930-х годах РЛС работали в этой полосе частот, потому что эти частоты пред-
ставляли границу возможностей радиотехники того периода. Это подходящая час-
тота для дальнего обзора воздушного пространства или обнаружения баллистиче-
ских ракет. На этих частотах коэффициент отражения от поверхности может быть
очень большим, особенно от поверхности воды. В результате интерференции пря-
мого и поверхностного отраженного сигналов в случае их синфазного сложения
значительно возрастает дальность действия РЛС ОВЧ-диапазона. Иногда этот эф-
фект может почти удвоить дальность действия РЛС. Однако если есть усиливаю-
щая интерференция, которая увеличивает дальность, то должна существовать и
ослабляющая интерференция, уменьшающая дальность обнаружения почти до
нуля вдоль некоторых направлений диаграммы излучения антенны в вертикальной
плоскости. Ослабляющее взаимодействие прямого и отраженного сигналов может
привести к уменьшению дальности действия целей, наблюдаемых под малыми уг-
лами к поверхности. Наблюдаемость движущихся целей на фоне пассивных помех
часто лучше при более низких рабочих частотах, если в РЛС используется допле-
ровская фильтрация, потому что неоднозначность по частоте Доплера, вызываю-
щая слепые скорости, проявляется на низких частотах в гораздо меньшей степени.
Радиолокаторам ОВЧ-диапазона не мешают отражения от дождя, но на них могут
влиять многократные отражения от метеорной ионизации и полярного сияния.
Эффективная площадь отражения самолетов в ОВЧ-диапазоне вообще больше,
чем на более высоких частотах. РЛС этого диапазона часто дешевле по сравнению
с радиолокаторами такой же дальности действия, работающими на более высоких
частотах.
Хотя ОВЧ-диапазон имеет много достоинств при использовании в системах
дальнего обнаружения, у него есть и некоторые серьезные недостатки. Ранее были
упомянуты глубокие провалы диаграммы излучения антенны РЛС в вертикальной
плоскости, в том числе при малых углах места. Области спектра, доступные РЛС
ОВЧ, достаточно узки, в результате — низкая разрешающая способность по даль-
ности. Ширина луча антенны обычно более широкая, чем на микроволновых
частотах, и, как следствие, — плохое угловое разрешение и невысокая точность уг-
ловых измерений. Диапазон ОВЧ2 переполнен важными гражданскими потребите-
лями частотных ресурсов, такими как телевидение и ЧМ-радиовещание, дополни-
тельно снижающими доступность спектра для радиолокационных применений.
Уровень внешнего шума, воздействующего на РЛС через антенну, в ОВЧ-диапазо-
не выше, чем на микроволновых частотах. Возможно, главное ограничение воз-
можностей радиолокаторов в диапазоне ОВЧ — трудность получения достаточно
широкой полосы спектра на этих переполненных частотах.
Несмотря на упомянутые ограничения, РЛС обзора воздушного пространства
ОВЧ-диапазона широко использовались в Советском Союзе, потому что это была
большая страна и более низкая стоимость РЛС данного диапазона делала их пред-
почтительными для обеспечения обзора ее большого воздушного пространства [8].
Сообщалось, что в СССР было выпущено большое количество обзорных РЛС
ОВЧ-диапазона. Некоторые из них имели очень большие размеры и большую
дальность, и большинство было транспортабельно. Интересно отметить, что бор-
товые РЛС перехвата воздушных целей широко использовались немцами во Вто-
рой мировой войне. Например, бортовой радиолокатор Lichtenstein SN-2 работал
на частотах приблизительно от 60 МГц до более чем 100 МГц, в различных моди-
фикациях. РЛС этих частот не были подвержены помехам, создаваемым так назы-
ваемыми дипольными отражателями или чаф (также известными как уиндоу1).
УВЧ (300—1000 МГц). Многие из характеристик радиолокаторов, работающих
в диапазоне ОВЧ, в некоторой степени применимы также к РЛС диапазона УВЧ.
Частоты УВЧ-диапазона хорошо подходят для работы бортовых систем селекции
движущихся целей (БСДЦ, AMTI — Airborne Moving Target Indication)2 в авиаци-
онных РЛС раннего предупреждения о нападении, как отмечается в главе 3. Этот
диапазон удобен также для РЛС большого радиуса действия, предназначенных для
слежения за спутниками и баллистическими ракетами. В верхней части этого диа-
пазона располагаются частоты корабельных РЛС обзора воздушного пространства
на больших дальностях, а также частоты радиолокаторов, называемых виндпрофай-
лерами, которые измеряют скорость и направление ветра.
Радиолокатор подповерхностного зондирования (земли) (GPR — Ground Penetrating
Radar), описанный в главе 21, является примером того, что называют
сверхширокополосными UWB3 радиолокационными системами. Полоса частот
сигналов GPR иногда охватывает диапазоны ОВЧ и УВЧ. Ширина спектра сиг-
налов и приемного тракта такой РЛС может простираться, например, от 50 до
500 МГц. Широкая полоса пропускания необходима, чтобы получить высокую
разрешающую способность по дальности. Более низкие частоты необходимы, что-
бы позволить электромагнитной энергии распространяться в грунте. Даже в этом
случае потери мощности сигнала при распространении в толще земли настолько
высоки, что дальность действия простого мобильного GPR составляет только не-
сколько метров. Такие дальности оказываются достаточными для обнаружения
подземных кабелей электропередач и трубопроводов и других зарытых в землю
предметов. РЛС, предназначенная для обнаружения целей, расположенных на по-
верхности земли, но под листвой деревьев, должна иметь частоты, аналогичные
частотам GPR.
L диапазон (1,0—2,0 ГГц). Это предпочтительная полоса частот для работы
дальних (до 200 морских миль) РЛС обзора воздушного пространства. Хорошим
примером такого радиолокатора является РЛС управления воздушным движением
большого радиуса действия. Поскольку частоты этого диапазона выше, чем у опи-
санных ранее, эффект дождя начинает сказываться на рабочих характеристиках
радиолокатора. Таким образом, проектировщику РЛС, возможно, придется побес-
покоиться об ослаблении эффекта дождя в L-диапазоне и на более высоких часто-
тах. Этот диапазон хорошо подходит для дальнего обнаружения спутников и меж-
континентальных баллистических ракет.
S диапазон (2,0—4,0 ГГц). Радиолокаторы управления воздушным движением
в районе аэропорта — это РЛС S-диапазона волн. Их радиус действия обычно
составляет 50—60 морских миль. В S-диапазоне возможно создание трехкоорди-
натного радиолокатора, определяющего дальность, азимут и угол места цели.
Как было отмечено ранее, для дальнего обзора пространства лучше подходят
низкие частоты, а для точного измерения координат — высокие. Если для реше-
ния обеих задач используется один и тот же радиолокатор, работающий в полосе
одного диапазона, то S-диапазон — хороший компромисс. Иногда также допусти-
мо использовать C-диапазон для РЛС, выполняющей обе функции. Обзорный
радиолокатор авиационного комплекса (AWACS — Airborne Warning and Control
System) — системы раннего предупреждения и управления — также работает
в S-диапазоне. Обычно большинство радиолокационных систем работают в той
полосе частот, в которой их рабочие характеристики оптимальны. Однако упомя-
нутый радиолокатор системы AWACS — это РЛС S-диапазона, а аналогичный ра-
диолокатор авиационной системы раннего предупреждения E2 AEW Военно-мор-
ского флота США — РЛС УВЧ-диапазона. Несмотря на значительную разность в
частотах, известно, что у обеих РЛС сопоставимые рабочие характеристики [9].
Это исключение из общего правила относительно выбора оптимальной частоты
для каждого конкретного радиолокационного приложения.
Метеорологический радиолокатор Nexrad также работает в S-диапазоне. Это
хорошая частота для наблюдения за погодой, потому что на более низкой частоте
отражения от дождя были бы намного слабее, так как мощность отраженного от
дождевых капель сигнала изменяется пропорционально четвертой степени часто-
ты. Выбор более высокой частоты привел бы к ослаблению радиоволны, распро-
страняющейся сквозь потоки дождя, и точное измерение интенсивности дождевых
осадков было бы проблематично. Существуют метеорологические РЛС, работаю-
щие на более высоких частотах, но они обычно имеют меньшую дальность, чем
Nexrad, и используются для решения более частных задач по сравнению с комп-
лексом точных метеорологических измерений, выполняемых Nexrad.
C диапазон (4,0—8,0 ГГц). Эта полоса частот находится между S- и X-диа-
пазонами и имеет промежуточные свойства по отношению к свойствам этих диа-
пазонов. Поскольку у этого диапазона нет собственных специфических особен-
ностей, часто выбор разработчиков склоняется в пользу S- или X-диапазонов,
хотя в прошлом в C-диапазоне существовали важные радиолокационные прило-
жения.
X диапазон (8,0—12,0 ГГц). Это самый распространенный радиолокационный
диапазон для военных применений. Он широко используется в военных борто-
вых РЛС на самолетах-перехватчиках, истребителях и штурмовиках, атакующих
наземные цели, как описано в главе 5. Он также часто используется в РЛС кар-
тографирования с синтезированной апертурой и в РЛС с инверсной синтезиро-
ванной апертурой. X-диапазон — подходящая частота для гражданских морских
радиолокаторов, бортовых метео-РЛС обнаружения грозовых фронтов, бортовых
доплеровских метео-РЛС и полицейских радаров измерения скорости. Системы
радиолокационного наведения ракет иногда работают в X-диапазоне. Радиолока-
торы X-диапазона имеют вообще небольшой размер и поэтому представляют ин-
терес для приложений, где важны мобильность и малый вес, а очень большая
дальность действия не является важным требованием. Относительно широкая
полоса частот, доступная в X-диапазоне, и возможность получить узкую ширину
луча у относительно малых антенн — важные свойства для приложений, требую-
щих высокой разрешающей способности. Из-за высокой частоты X-диапазона
дождь может стать серьезной причиной ухудшения рабочих характеристик сис-
тем этого диапазона.
Ku, K и Ка диапазоны (12,0—40 ГГц). Поскольку каждый из рассматриваемых
нами диапазонов имеет более высокую частоту, чем предыдущий, то, соответст-
венно, уменьшаются физические размеры антенн и становится все труднее ге-
нерировать большую мощность излучения. Таким образом, дальность действия
радиолокаторов на частотах, более высоких, чем X-диапазон, обычно меньше, чем
в X-диапазоне. Военные бортовые РЛС Ku-диапазона нашли свое применение на-
ряду с аналогичными локаторами X-диапазона. Эти частотные области являются
предпочтительными, когда к РЛС предъявляются требования малого размера,
но не требуется большая дальность действия. РЛС обзора летного поля, кото-
рые обычно устанавливаются на вышке здания диспетчерского пункта больших
аэропортов, работают в Ku-диапазоне прежде всего из-за лучшего пространствен-
ного разрешения, чем в X-диапазоне. В исходном K-диапазоне имеется линия по-
глощения водяных паров 22,2 ГГц, вызывающая ослабление, которое может быть
серьезной проблемой в некоторых приложениях. Это обстоятельство было выявле-
но в начальный период разработки радиолокаторов K-диапазона во время Второй
мировой войны и явилось причиной, по которой позже были введены Ku- и Ka-
диапазоны. Сильные отражения сигналов от дождя могут ограничить возможности
радиолокаторов на этих частотах.
Миллиметровые волны. Хотя эта частотная область имеет очень большую ши-
рину, основной интерес для миллиметровой радиолокации представляют частоты
вблизи 94 ГГц, где существует минимум ослабления радиоволны атмосферой, на-
зываемый окном. Окно — область малого затухания относительно соседних частот.
Окно вблизи 94 ГГц столь же широко, как весь микроволновый диапазон. Как
было отмечено ранее, для радиолокационных применений область миллиметровых
волн практически начинается с 40 ГГц или даже с еще более высоких частот. Тех-
ника радиолокации миллиметровых волн и эффекты распространения в окружаю-
щей среде не просто отличаются от техники и эффектов микроволнового диапазо-
на — они намного более ограничены внешними факторами. В отличие от
микроволнового миллиметровый радиосигнал может сильно ослабляться, распро-
страняясь в прозрачной для глаза атмосфере. Степень ослабления изменяется
в пределах области миллиметровых волн. Ослабление в окне 94 ГГц фактически
более высокое, чем ослабление внутри атмосферной спектральной линии погло-
щения водяного пара на 22,2 ГГц. Ослабление сигнала при его распространении
в одном направлении на частоте поглощения кислорода 60 ГГц составляет при-
близительно 12 дБ на километр, что по существу делает невозможным использова-
ние этой частоты радиолокаторами. Ослабление в дожде может быть также серьез-
ным ограничением области миллиметровых волн.
Интерес к миллиметровым РЛС возник главным образом из-за стремлений
разработчиков ответить на те вызовы, которые миллиметровый диапазон поставил
перед инженерным сообществом, и их желания получить от его использования
практическую пользу. Главное достоинство диапазона — возможность использо-
вать сигналы с широкой полосой и, как следствие, высокая разрешающая способ-
ность РЛС по дальности и узкая ширина луча при небольших размерах антенны.
Среди прочих достоинств — трудность использования противником средств элект-
ронного подавления и повышенная сложность перехвата частоты работающего пе-
редатчика по сравнению с более низкими частотами. В прошлом передатчики
миллиметровых волн имели среднюю мощность, не превышающую нескольких
сотен ватт, а обычно их мощность была намного меньше. Успехи в разработке ги-
ротронов (глава 10) могут увеличить среднюю мощность передатчиков на несколь-
ко порядков относительно мощности типовых источников энергии миллиметро-
вого излучения. Таким образом, требование большой мощности по отношению
к миллиметровой РЛС уже не является ограничением, как это было ранее.
Лазерный локатор. Лазеры могут генерировать достаточно высокую полезную
мощность в диапазоне оптических частот и в инфракрасной области спектра.
Лазерным локаторам доступна широкая полоса спектра (работа очень короткими
импульсами) и очень узкая ширина луча. Апертура антенны, напротив, намного
меньше, чем в микроволновом диапазоне. Ослабление лазерного излучения в
атмосфере и дожде очень высоко, и рабочие характеристики в сложных метеоро-
логических условиях сильно ограничены. Шум приемника определяется главным
образом квантовыми эффектами, а не тепловым шумом. По многим причинам ла-
зерные локаторы получили ограниченное применение.
1.7. Номенклатура радиолокаторов США
Каждый вид военного электронного оборудования США, включая РЛС, имеет
условное обозначение в соответствии с Объединенной системой обозначений ти-
пов электроники JETDS (Joint Electronics Type Designation System), утвержденной
стандартом MIL-STD-196D. Буквенная часть обозначения состоит из букв AN,
наклонной черты и трех дополнительных букв, специально подобранных для
указания места установки оборудования, типа оборудования и его назначения.
После трех букв стоит тире и число. Число означает номер конкретного образца
оборудования, последовательно увеличивающийся для каждой отдельной комби-
нации букв. В табл. 1.2 приведены буквенные обозначения, относящиеся к радио-
локационным системам.
За основным обозначением следует буква суффикса (A, B, C...), отражающая
модификацию оборудования при условии сохранения взаимозаменяемости. Буква
V в скобках, добавленная к обозначению, указывает на системы с изменяемыми
характеристиками, функции которых могут различаться в связи с добавлением или
удалением частей, блоков, узлов или их комбинаций. Если вслед за основным
обозначением следует тире, буква T и номер, то оборудование предназначено для
обучения. Кроме Соединенных Штатов эти обозначения могут также использо-
ваться Канадой, Австралией, Новой Зеландией и Великобританией. Специальные
группы номеров зарезервированы для этих стран. Дополнительная информация об
обозначениях может быть найдена в стандарте MIL-STD-196D.
Федеральное авиационное агентство США использует следующие обозначения
для РЛС управления воздушным движением:
• ASR (Airport Surveillance Radar) — аэродромная обзорная РЛС управления воз-
душным движением (УВД);
• ARSR (Air Route Surveillance Radar) — трассовая обзорная РЛС УВД;
• ASDE (Airport Surface Detection Equipment) — радиолокационное оборудование
обзора летного поля;
• TDWR (Terminal Doppler Weather Radar) — аэроузловой доплеровский метеоро-
логический радиолокатор.
Цифры, стоящие после буквенного обозначения, указывают порядковый но-
мер разработки радиолокатора.
Метеорологические РЛС, разработанные Метеорологической службой США
(NOAA — National Oceanic and Atmospheric Administration), обозначаются как WSR
(WSR — Weather Surveillance Radar). Номер после обозначения — год начала экс-
плуатации РЛС. Таким образом, WSR-88D — доплеровский радиолокатор Nexrad,
введенный в эксплуатацию в 1988 году. Буква D указывает, что это доплеровская
метеорологическая РЛС.
1.8. Основные достижения радиолокации в ХХ веке
Приведем краткий перечень основных достижений в области радиолокационной
техники и функциональных возможностей РЛС двадцатого века. Перечень приво-
дится в хронологическом, хотя и нестрогом порядке.
• Разработка радиолокаторов ОВЧ-диапазона наземного, корабельного и авиаци-
онного базирования для целей противовоздушной обороны в предшествующие
годы и в течение Второй мировой войны.
• Изобретение магнетрона микроволнового диапазона и освоение техники волно-
водов в начале Второй мировой войны, позволивших создать РЛС микроволно-
вого диапазона, обладавших значительно меньшими размерами и большей мо-
бильностью.
• Разработка более ста различных моделей РЛС в лаборатории исследования излу-
чений Массачусетского технологического института за пять лет ее существова-
ния во время Второй мировой войны, заложившая основы техники микровол-
новых РЛС.
• Теория радиолокационного обнаружения Маркума.
• Изобретение и разработка усилителей на клистронах и ЛБВ, обеспечивших
большую мощность наряду с хорошей стабильностью.
• Использование доплеровского сдвига частоты для обнаружения сигналов от
движущихся целей на фоне мешающих отражений существенно большей интен-
сивности.
• Разработка РЛС для управления воздушным движением.
• Технология сжатия сложных сигналов.
• Разработка моноимпульсной РЛС сопровождения с высокой точностью слеже-
ния и лучшей устойчивостью к мерам радиоэлектронного противодействия, чем
предшествующие РЛС сопровождения.
• РЛС с синтезированной апертурой, обеспечивающая получение подробных
изображений поверхности Земли и расположенных на ней объектов.
• Бортовая РЛС обзора с системой СДЦ, позволяющая обнаруживать цели на
больших дальностях и следить за ними при наличии пассивных помех.
• Стабильные компоненты и подсистемы, а также антенны с очень низким уров-
нем боковых лепестков, позволившие создать импульсно-доплеровские РЛС
режима ВЧП (используемые в системе AWACS) с эффективным подавлением
пассивных помех.
• Загоризонтная РЛС декаметрового диапазона, увеличившая на порядок даль-
ность обнаружения самолетов и судов.
• Цифровая обработка, появившаяся в начале 1970-х годов, оказавшая очень
существенное влияние на улучшение характеристик РЛС.
• Автоматическое обнаружение и слежение в обзорных РЛС.
• Серийное производство РЛС с фазированными антенными решетками с элект-
ронным управлением лучом.
• РЛС с инверсной синтезированной апертурой (ИРСА), которая обеспечивает
разрешение, необходимое для распознавания типов судов.
• Доплеровская метеорологическая РЛС.
• РЛС космического базирования, предназначенные для локации планет, таких
как Венера.
• Точное компьютерное вычисление эффективной площади отражения сложных
целей.
• Многофункциональная бортовая военная РЛС, имеющая относительно малые раз-
меры и небольшой вес, располагающаяся в носовой части самолета-истребителя
и способная выполнять большое количество различных функций в режимах воз-
дух — воздух и воздух — поверхность.
Какие из достижений в области радиолокации являются более важными — все-
гда спорный вопрос. Кто-то мог бы составить другой список. Не все существенные
достижения в области радиолокации были включены в приведенный перечень. Он,
возможно, был бы намного длиннее и, возможно, включал бы множество примеров,
относящихся к тематике каждой из других глав этой книги. Однако и этот список
в достаточной мере отражает характер достижений, которые были важны для улуч-
шения характеристик РЛС.
1.9. Применения радиолокации
Военные применения. Радиолокатор был изобретен в 1930-х годах, что было
обусловлено необходимостью защиты от тяжелых военных бомбардировщиков.
Радиолокаторы предназначались прежде всего для военного применения, ставше-
го, вероятно, самой важной областью их использования и стимулом большинства
усовершенствований, которые в дальнейшем нашли применение и в граждан-
ских РЛС.
Основным назначением военных радиолокаторов наземного, морского и
авиационного базирования стала противовоздушная оборона (ПВО). Без исполь-
зования РЛС успешное осуществление ПВО было практически невозможно. РЛС
ПВО используются для обзора воздушного пространства на больших дальностях,
обнаружения на близких расстояниях низколетящих целей, внезапно появляю-
щихся из-за возвышенностей, для управления оружием, наведения ракет, опо-
знавания по данным запроса и распознавания типа целей и для оценки потерь,
причиненных боевыми действиями. Дистанционный радиовзрыватель во многих
видах оружия также является примером радиолокатора. Отличным критерием
успеха РЛС ПВО являются большие суммы денег, которые были потрачены на
методы снижения эффективности таких радиолокаторов. Они включают радио-
электронное подавление и другие аспекты радиоэлектронной борьбы, противо-
радиолокационные ракеты, наводящиеся на средства ПВО, самолеты и суда с
малой ЭПО. РЛС также используются военными для разведки, наведения ору-
жия на наземные или морские цели и для обзора пространства над поверхно-
стью моря.
На поле боя от РЛС требуется выполнить функции обзора воздушного про-
странства (включая слежение за самолетами, вертолетами, ракетами и беспилот-
ными летательными аппаратами), управления оружием, перехвата воздушных це-
лей, определения местоположения оружия противника (минометов, артиллерии
и ракетных установок), обнаружения вторжений и управления воздушным дви-
жением.
Использование РЛС для защиты от баллистических ракет вызывает интерес со
времени появления угрозы от них в конце 1950-х годов. Большие дальности, высо-
кие сверхзвуковые скорости и сравнительно малый размер целей, какими являются
баллистические ракеты, создают серьезные проблемы для разработчиков РЛС.
В этом случае отсутствуют естественные мешающие отражения, как при защите от
воздушного нападения, но баллистические ракеты могут появиться при наличии
большого количества ложных целей и других контрмер, которые противник может
использовать, чтобы скрыть вход в атмосферу летательного аппарата, несущего бое-
головку. При защите от баллистических ракет более важной становится задача рас-
познавания, а не обнаружение и сопровождение. Необходимость предупреждения о
приближении баллистических ракет привела к появлению множества РЛС различ-
ных типов, выполняющих эту функцию. Аналогично были развернуты РЛС, пред-
назначенные для обнаружения и слежения за спутниками.
Родственной задачей для гражданских РЛС является обнаружение и перехват
воздушного наркотрафика. Есть несколько типов РЛС, выполняющих эту задачу,
включая загоризонтные РЛС декаметрового диапазона.
Дистанционное исследование окружающей среды. Основное применение в
этой категории находят метеорологические РЛС, такие как радиолокатор Nexrad,
результаты работы которого часто демонстрируют в телевизионных прогнозах по-
годы. Существуют также РЛС вертикального зондирования атмосферы, которые
определяют скорость ветра и его направление как функцию высоты, обнаруживая
очень слабое радиолокационное эхо от ясного неба. В районе аэропортов распола-
гаются метеорологические РЛС, использующие эффект Доплера (TDWR). Эти
РЛС способны предупреждать об опасном погодном эффекте, известном как сдвиг
ветра, который может сопровождать грозы. Обычно в носовой части как малых,
так и больших самолетов есть специально разработанный метеорологический ра-
диолокатор предупреждения о грозе и другой опасной погоде.
Другим примером РЛС, успешно применяемой для дистанционного зонди-
рования, является бортовой спутниковый высотомер, который измеряет форму
геоида (средний уровень моря, неодинаковый для разных районов земного шара)
в различных точках мирового океана с исключительно высокой точностью. В про-
шлом предпринимались попытки использования РЛС для определения влажности
почвы и для оценки состояния урожаев в сельском хозяйстве, но они не обеспечи-
вали удовлетворительную точность. Спутниковые или авиационные РЛС картогра-
фирования используются для оказания помощи судам в осуществлении навигации
в северных морях, покрытых льдом, так как РЛС может определить тип льда, ко-
торый легче преодолеть судну.
Управление воздушным движением. Высокий уровень безопасности современного
воздушного сообщения отчасти обеспечивается успешным применением РЛС для
эффективного, рационального и безопасного управления воздушным движением.
Большинство аэропортов используют наземные обзорные РЛС (ASR) для наблюде-
ния за воздушным движением в окрестностях аэропорта. Такие РЛС также предо-
ставляют информацию о погоде в близлежащих районах, что позволяет скорректи-
ровать курс самолета для предотвращения его попадания в плохие метеоусловия.
В больших аэропортах также имеется РЛС, называемая радиолокатором (оборудова-
нием) обзора летного поля (ASDE — Airport Surface Detection Equipment), который
используется для наблюдения и безопасного управления передвижением самолетов
и транспортных средств аэропорта на земле. Для управления воздушным движени-
ем на пути от одного аэропорта в другой во всем мире используются трассовые РЛС
дальнего радиуса действия (ARSR — Air Route Surveillance Radar). Система управле-
ния воздушным движением с радиоответчиками (ATCRBS — Air Traffic Control Radar
Beacon System) не является радиолокационной и используется для опознавания
самолетов во время полета1. Здесь используется технология, аналогичная радиоло-
кационной, и аппаратура опознавания, основанная на системе «свой—чужой»
(IFF), которая применяется в военной авиации.
Прочие применения. Очень большое значение имело использование радиоло-
кации для получения информации, которая не могла быть получена любыми
другими методами. Таким применением было исследование поверхности плане-
ты Венера с помощью РЛС картографирования, способной «видеть» изображе-
ние поверхности планеты, находящейся под постоянным облачным покровом.
Одной из самых широко используемых и наименее дорогих РЛС является граж-
данская судовая РЛС, применяемая во всем мире для осуществления безопасной
навигации больших и малых судов. Некоторые читатели, несомненно, сталкива-
лись с полицией на автомагистралях, использующей доплеровские РЛС непре-
рывного излучения для измерения скорости автомобиля. РЛС подповерхностно-
го зондирования используется, чтобы обнаружить подземные коммуникации,
а также полицейскими для нахождения закопанных предметов. Археологи ис-
пользуют ее, чтобы определить, где следует искать артефакты под землей. РЛС
оказывается полезной как для орнитологов, так и для энтомологов для лучшего
понимания перемещений птиц и насекомых. Было также продемонстрировано,
что РЛС может обнаружить просачивание газа, которое часто происходит над за-
лежами нефти и газа [10].
1.10. Концептуальный подход
к проектированию радиолокаторов
Существуют различные аспекты проектирования РЛС. Но прежде чем новая РЛС,
не существовавшая ранее, может быть создана, должна быть разработана концеп-
ция будущей системы, которая станет основой для последующего фактического
проектирования. Основой концепции проекта являются требования к РЛС, кото-
рые удовлетворят ее заказчика или эксплуатационщика. Результатом разработки
концепции проекта должно стать появление набора характеристик радиолокатора,
тех самых, что входят в основное уравнение радиолокации и связанные с ним
формулы, а также общих характеристик подсистем (передатчика, антенны, прием-
ника, устройств обработки сигналов и т.д.), которые должны быть реализованы.
Уравнение радиолокатора используется в качестве важного инструмента для ана-
лиза альтернатив и принятия сбалансированных решений разработчиком РЛС и
для выработки подходящей концепции, удовлетворяющей необходимым требова-
ниям. В этом разделе кратко описан подход к концептуальному проектированию
нового радиолокатора, которым может руководствоваться инженер-разработчик.
Не существует строго установленных процедур концептуального проектирования.
Каждая компания, разрабатывающая РЛС, и каждый инженер-разработчик выра-
батывают его или ее собственный стиль. То, что здесь описано, является кратким
изложением одного из подходов к концептуальному проектированию РЛС.
Общее руководство. Следует отметить, что существуют по крайней мере два
пути проектирования новой РЛС для некоторого конкретного применения. Один
из методов основан на использовании преимуществ какого-либо нового изобрете-
ния, нового технического решения, нового устройства или нового знания. В каче-
стве примера можно привести изобретение магнетрона в начале Второй мировой
войны. После появления магнетрона облик новых радиолокаторов стал отличаться
от предшественников. Другой и, вероятно, более общепринятый метод разработки
концепции РЛС должен начинаться с изучения задач, которые новый радиолока-
тор должен выполнять, исследовать различные пути, позволяющие достичь тре-
буемых показателей, тщательно оценить каждый из возможных путей и затем
выбрать тот, который лучше всего удовлетворяет требованиям заказчика и финан-
совым ограничениям. Короче говоря, разработка концепции могла бы состоять
из следующих шагов:
• Описание поставленных задач и требований, которые должны быть выполнены.
Это делается с точки зрения заказчика или пользователя радиолокатора.
• Взаимодействие между заказчиком и системным инженером.
Осуществляется в целях проработки альтернативных решений, о которых заказ-
чик мог не знать, но которые могли бы позволить получить лучший результат
без чрезмерного увеличения стоимости или риска. К сожалению, диалог между
потенциальным пользователем РЛС и системным инженером не всегда проис-
ходит на равных.
• Поиск и анализ возможных решений.
Этот этап включает осознание преимуществ и ограничений различных возмож-
ных решений.
• Выбор оптимального или близкого к оптимальному решений.
Во многих инженерных решениях оптимальное не означает наилучшее, так как
наилучшее может быть нереализуемым или недостижимым в данное время. Оп-
тимальное, как здесь принято, означает наилучшее с учетом ряда имеющихся
ограничений. Инженерная разработка часто завершается достижением почти
оптимального, но не оптимального решения. Выбор предпочтительного реше-
ния должен быть основан на строго определенном критерии.
• Детализированное описание выбранного подхода.
На этом этапе конкретизируются характеристики РЛС и тип подсистем, входя-
щих в ее состав.
• Анализ и оценка предлагаемого проекта.
Это делается для проверки правильности выбранного метода
Включившись в этот процесс, можно зайти в тупик и снова начинать с нуля,
иногда не раз. Необходимость снова начинать с нуля не является чем-то необыч-
ным в процессе новой разработки.
Для разработки проекта РЛС невозможно предложить однозначный набор ин-
струкций. Если бы это было возможно, то проект радиолокатора мог бы полно-
стью быть выполнен компьютером. Так как обычно полная информация отсутст-
вует, то для успешного завершения большинству инженерных разработок в
определенный момент требуются независимая оценка и экспериментальная про-
верка.
Уравнение радиолокатора в концепции проекта. Уравнение радиолокатора слу-
жит основой при разработке концепции проекта РЛС. Некоторые параметры
этого уравнения определяются функциями, которые радиолокатор должен вы-
полнять. Другие могут быть в одностороннем порядке выбраны заказчиком, но
это должно быть сделано с осторожностью. Именно заказчик обычно определяет
тип целей и особенности окружающей обстановки, в которой работает радиоло-
катор, ограничения на размер и вес, форму представления радиолокационной
информации и любые другие накладываемые ограничения. Эти сведения исполь-
зуются инженером — разработчиком РЛС для определения эффективной площа-
ди отражения цели, периода обзора, точности измерения дальности и угловых
координат, удовлетворяющих требованиям заказчика. На некоторые параметры,
такие как коэффициент усиления антенны, могут оказывать влияние несколько
условий или требований. Например, на определение ширины луча антенны мо-
гут влиять точность слежения, требования по угловому разрешению целей, близ-
ко расположенных друг к другу, максимальный размер, который может иметь
антенна с учетом места установки РЛС, необходимость обеспечения требуемой
дальности действия радиолокатора и выбора его рабочей частоты. Частота, на
которой работает радиолокатор, обычно определяется многими параметрами,
включая допустимость использования определенного частотного диапазона.
Рабочая частота может быть последним из выбираемых параметров после того,
как были определены компромиссные значения других параметров.
Литература
1. IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, 4th Ed. New York: IEEE,
1988.
2. M. I. Skolnik, G. Linde, and K. Meads. Senrad: an advanced wideband air-surveillance
radar, IEEE Trans., vol. AES-37, pp. 1163—1175. October 2001.
3. M. I. Skolnik. Introduction to Radar Systems, New York: McGraw-Hill, 2001, Fig. 2.6.
4. F. E. Nathanson. Radar Design Principles, New York: McGraw-Hill, 1991. Fig. 2.2.
5. IEEE Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands, IEEE Std. 521—2002.
6. Описание радиолокационных диапазонов частот можно найти в «FCC Online Table
of Frequency Allocations», 47 C.F.R. § 2.106.
7. Performing electronic countermeasures in the United States and Canada, U.S. Navy
OPNAVINST 3430.9B, October 27, 1969. Similar versions issued by the U.S. Air Force,
AFR 55-44; U.S. Army, AR 105-86; and U.S. Marine Corps, MCO 3430.1.
8. A. Zachepitsky, VHF (metric band) radars from Nizhny Novgorod Research Radiotechnical
Institute, IEEE AES Systems Magazine, vol. 15, pp. 9—14, June 2000.
9. Anonymous, AWACS vs. E2C battle a standoff, EW Magazine, p. 31, May/June 1976.
10.M. Skolnik, D. Hemenway, and J. P. Hansen. Radar detection of gas seepage associated
with oil and gas deposits, IEEE Trans, vol. GRS-30, pp. 630—633. May 1992.ГЛАВА 14
Эффективная площадь рассеяния
Юджин Ф. Нотт
Компания Tomorrow's Research, США
(Книга 2)
14.1. Введение
Радиолокационная система обнаруживает и отслеживает цели, а в некоторых слу-
чаях способна идентифицировать их, но только при наличии сигнала, отраженно-
го от цели (рассеянного целью). Таким образом, решающее значение при проек-
тировании и эксплуатации РЛС имеет возможность количественного или
качественного описания сигнала, рассеянного целью, особенно в отношении та-
ких ее характеристик, как размер, форма и условия наблюдения (ракурс). Для
описания отражательной способности цели используют такую ее характеристи-
ку, как эффективная площадь рассеяния (ЭПР) энергии зондирующего сигнала.
ЭПР представляет собой площадь проекции металлической сферы, которая рассе-
ивает (отражает) такой же сигнал, как и цель, если цель заменить сферой1.
Однако в отличие от рассеяния излучения сферой, которое не зависит от угла
обзора, рассеяния другими телами, кроме имеющих самую простую форму, суще-
ственно различаются в зависимости от изменения их ракурса. Как будет показано
ниже, эти изменения могут быть достаточно быстрыми, особенно для целей, ха-
рактерный размер которых составляет несколько длин волн.
Характеристики рассеянного излучения в большой степени зависят от размера
цели и радиолокационных характеристик (отражающих свойств) ее поверхности.
Изменения энергии отраженного сигнала малы для электрически малых объектов
(характерный размер которых меньше или равен длине волны), так как падающая
волна в этом случае слишком велика по длине и практически огибает цель, не от-
ражаясь. С другой стороны, плоские поверхности, имеющие кривизну первого и
второго порядка электрически больших целей (характерный размер которых много
больше длины волны зондирующих колебаний), имеют разные характеристики
рассеяния. Элементы цели, создающие многократные отражения, такие как возду-
хозаборники и выходные трубы реактивного двигателя, как правило, создают зна-
чительное рассеяние, как и задние края профилей самолета.
Эффективная площадь рассеяния тел простой формы может быть точно вы-
числена путем решения волнового уравнения в системе координат, связанных с
поверхностью тела. Точное решение требует, чтобы электрическое и магнитное
поля только внутри и в непосредственной близости от поверхности объекта удов-
летворяли определенным условиям, зависящим от электромагнитных свойств ма-
териала, из которого изготовлена поверхность цели.
Хотя эти решения представляют собой интересную академическую задачу и
можно после некоторых исследований выявить механизмы рассеяния, играющие
важную роль, не существует известных практических объектов, которые полно-
стью отвечали бы данным решениям. Таким образом, точные решения волнового
уравнения в лучшем случае являются руководящими принципами для других
(приближенных) методов вычисления полей рассеяния.
Альтернативный подход состоит в решении интегральных уравнений, описы-
вающих распределение наведенных полей на поверхности цели. Самый полезный
подход к решению известен как метод моментов, в котором интегральные уравне-
ния сводятся к системе линейных однородных уравнений. Привлекательным в
этом методе является то, что протяженность поверхности тела представляется нео-
граниченной, что позволяет вычислить рассеяние реальных, на практике сущест-
вующих объектов. Другим преимуществом данного подхода является то, что для
решения могут быть использованы обычные методы решения (например обраще-
ние матрицы и исключения Гаусса). Этот метод ограничен объемом памяти
компьютера и временем выполнения, однако он больше подходит для объектов
размером несколько десятков длин волн.
Еще одной альтернативой этим точным решениям являются несколько при-
ближенных методов, которые могут применяться с достаточной точностью для
электрически больших элементов цели. Они включают в себя теорию геометриче-
ской и физической оптики, геометрическую и физическую теории дифракции и
метод эквивалентных токов. Эти приближения обсуждаются в разд. 14.3. Другие
приближенные методы здесь не рассматриваются, подробно они описаны в источ-
никах, приведенных в списке литературы в конце этой главы.
Инженер-практик не может полностью полагаться на прогнозы и расчеты и в
конечном итоге должен измерять характеристики рассеяния целей, представляю-
щих интерес. Это может быть сделано путем проведения натурных испытаний
объектов или на основе их масштабных моделей. Рассеяние радиоволн, вызванное
малыми целями, часто можно измерить в помещении, но характеристики рассея-
ния больших целей, как правило, должны быть измерены на открытом полигоне.
Характеристики типового контрольно-измерительного оборудования для тестиро-
вания целей в закрытых помещениях и на полигоне описаны в разд. 14.4.
Контроль характеристик рассеяния некоторых целей имеет жизненно важное
практическое значение, особенно для обеспечения снижения радиолокационной за-
метности (так называемая стелс-технология). Есть только два практических пути
уменьшения отражающей способности цели: за счет подбора соответствующей
формы ее конфигурации и использования поглощающих покрытий на ее поверх-
ности для существенного снижения энергии радиолокационных сигналов. Подбор
формы связан с выбором конструктивных особенностей поверхности цели, кото-
рый предполагает, что при облучении цели обратно к РЛС должно вернуться как
можно меньше энергии излученного сигнала. Поскольку конфигурацию цели
трудно изменить, когда она уже является готовым промышленным изделием, то
нужные параметры ее формы лучше всего реализовать на стадии определения кон-
цепции ее построения перед серийным производством, когда окончательные ре-
шения еще не приняты. Радиопоглощающие материалы поглощают энергию зон-
дирующих сигналов РЛС, снижая мощность, рассеиваемую целью в направлении
на радар (энергию отраженного сигнала). В то же время применение поглотителей
всегда дорого с точки зрения различного рода затрат на проектирование и обслу-
живание в течение срока эксплуатации при сокращении самой продолжитель-
ности эксплуатации. Эти два метода снижения энергии отраженного рассеяния
обсуждаются в разд. 14.5, там же рассмотрены конструкции четырех целей, снижа-
ющих радиолокационную заметность.
Основные источники рассеяния цели. На рис. 14.1 показаны основные источни-
ки рассеяния, которые могут быть найдены на типичной воздушной цели. Все они
в той или иной степени зависят от ракурса цели, под которым она видна радару.
Некоторые из них являются доминирующими источниками рассеяния излучения,
в то время как другие — слабыми. Не все представляют интерес для других видов
конструкций целей, таких как военные корабли или военные наземные транспорт-
ные средства. Мы кратко рассмотрим их в порядке убывания значимости.
Периодически появляющиеся структуры. Единственной периодически появляю-
щейся структурой гипотетической ракеты на рис. 14.1 является выхлопная труба в
задней части, однако каналы воздухозаборника реактивного двигателя ведут себя
подобным образом. Рассеяние от полостей, например воздухозаборных каналов,
выхлопной трубы и кабин, достаточно велики и, как правило, сохраняются при
больших ракурсах 45° или 60°. Это происходит потому, что большинство внутрен-
них поверхностей воздуховодов (например ступеней компрессора и турбины)
являются металлическими и любая радиолокационная волна, которая падает на
структуру, скорее всего отразится обратно к РЛС. Это также верно для внутренне-
го рассеяния внутри фонаря кабины.
Зеркальные рассеиватели. Зеркальным рассеиванием обладает любая поверх-
ность цели, которая ориентирована перпендикулярно к линии визирования рада-
ра. Плоские поверхности предполагают особенно большое рассеяние в зеркальном
направлении, но энергия отраженного сигнала резко падает при отклонении в
сторону от этого направления. Зеркальное рассеяние однократно и двукратно
изогнутыми поверхностями (цилиндрическими и сферическими) несколько ниже,
чем плоскими поверхностями, но они более стабильны при изменении ракурса.
Отраженные сигналы, обусловленные бегущей волной. Когда угол падения пред-
ставляет собой малый угол скольжения в сторону от поверхности, возможно появле-
ние поверхностной бегущей волны. Поверхностная волна обычно увеличивается в
направлении задней части объекта и, как правило, отражается обратно в направле-
нии передней части при любой неоднородности поверхности задней части объекта.
Отраженные сигналы, обусловленные бегущей волной, при малых углах скольжения
почти столь же значительны, как зеркальное рассеяние при нормальном падении.
Рассеяние (дифракция) на выступах, краях и кромках цели. Рассеяние от высту-
пов, краев и кромок является менее значительным, чем при зеркальном отраже-
нии и, таким образом, должно приниматься во внимание конструктором после
подавления большинства других источников рассеяния. Рассеяние от острых вы-
ступов и кромок поверхности цели является локализованным и имеет тенденцию
к увеличению пропорционально квадрату длины волны, а не размеру данной дета-
ли поверхности. Таким образом, оно становится все менее важным фактором при
повышении частоты радаров.
Неоднородности поверхности. Большинство корпусов летательных аппаратов
имеет щели и углубления там, где управляющие поверхности сопрягаются с непо-
движной конструкцией. Щели, углубления и даже заклепки могут рассеивать
энергию обратно к РЛС. Из-за небольшого размера эти источники рассеяния не
так легко выделить и локализовать.
Поверхностная волна. Поверхностная волна — это такая, которая образуется
при рассеянии гладкой затененной поверхностью, она проходит вокруг задней ча-
сти гладкого объекта, а затем излучается обратно к радару, когда появляется вновь
на границе тени на противоположной стороне цели. Как будет показано в следую-
щем разделе, поверхностная волна вызывает отраженные сигналы от небольших
сферических тел, которые меняются в зависимости от их размера. Этот источник
рассеяния также может присутствовать у других гладких тел, таких как ракета,
показанная на рис. 14.1. Поверхностная волна в качестве источника рассеяния ни-
когда не представляла большого значения для военных и гражданских целей.
Взаимодействие источников рассеяния. Относительно сильное рассеяние может
возникнуть, когда две поверхности цели ориентированы в направлении, благопри-
ятном для взаимного рассеяния, а затем для обратного рассеяния к РЛС, как это
происходит при взаимодействии рассеянного излучения между фюзеляжем и зад-
ней кромкой правого крыла (см. рис. 14.1). Похожие взаимодействия происходят
на целях типа «корабль», когда переборки, перила, мачты и другие поверхностные
части судна становятся отражающими посреди морской поверхности.
Как показано в следующем разделе, не все эти механизмы раскрываются в ха-
рактеристиках выбора простых и сложных целей.
14.2. Понятие мощности отраженного сигнала
Определение эффективной площади рассеяния. Объект, облученный падающей элект-
ромагнитной волной, рассеивает энергию данной волны во всех направлениях. Дан-
ное пространственное распределение энергии называется рассеянием, а сам объект
часто называют источником рассеяния (рассеивателем) или отражателем. Энергия,
рассеиваемая обратно к источнику волн (обратное рассеяние), представляет собой
отраженный радиолокационный сигнал от объекта. Интенсивность отраженного
сигнала зависит от эффективной площади рассеяния объекта. Для этого общеприз-
нанного понятия была и введена аббревиатура ЭПР. В первых работах на данную
тему приводились термины «площадь отражения»1 или «эффективная площадь», ко-
торые еще встречаются иногда в современной технической литературе.
Формально ЭПР определяется следующим соотношением:
lim
| |
R | |
R s
E
E
4 2
2
0
2
, (14.1)
где E0 — напряженность электрического поля падающей на цель волны, Es — на-
пряженность электрического поля волны, рассеянной обратно к радару. Вывод
выражения предполагает, что цель извлекает мощность из падающей волны, а за-
тем равномерно рассеивает ее мощность во всех направлениях. Хотя подавляющее
большинство целей рассеивает мощность далеко не равномерно во всех направле-
ниях, по определению, формально мощность рассеивается равномерно. Это по-
зволяет вычислить плотность потока рассеянной мощности на поверхности боль-
шого шара радиусом R, центр которого совпадает с центром рассеивающего
объекта. Как правило, R принимается равным расстоянию от РЛС до цели.
Символ у повсеместно принят в качестве обозначения ЭПР объекта, хотя внача-
ле это было совсем не так [2, 3]. ЭПР можно трактовать как площадь проекции
металлической сферы, размер которой достаточно велик по сравнению с длиной
волны и которая способна излучать обратно к РЛС идентично ту же мощность, что
и объект. В то же время ЭПР всех тел, кроме имеющих самую простую форму, силь-
но изменяется в зависимости от ракурса объекта, поэтому понятие эквивалентной
сферы подходит далеко не во всех случаях.
Предельный переход в формуле (14.1) не всегда является обязательным требова-
нием. При измерении и анализе принимается, что приемник и передатчик радара,
как правило, находятся в дальней зоне (см. разд. 14.4), а на таком расстоянии поле
рассеянного излучения Es убывает обратно пропорционально расстоянию R. Таким
образом, слагаемое R2 в числителе формулы (14.1) исключается аналогичным, но
неявным членом R2 в знаменателе. Следовательно, зависимость ЭПР от R, а также
необходимость назначения предела в этом случае исчезают.
Эффективная площадь рассеяния, следовательно, определяется отношением
плотности потока рассеянной мощности, действующей в точке приемника, к
плотности потока мощности излучения, падающего на цель. Одинаково справед-
ливо определение ЭПР по формуле (14.1), когда значения напряженности электрического поля в данном уравнении заменяются значениями напряженности маг-
нитного поля падающего и рассеянного излучения. Часто необходимо измерить
или рассчитать мощность, рассеянную в каком-то другом направлении, нежели
обратно к передатчику, например в бистатической ситуации (с разнесенными пе-
редатчиком и приемником). В этом случае бистатическая ЭПР может быть опре-
делена и для обратного рассеяния при условии, что расстояние R определяет уда-
ление цели от приемника. Рассеяние в направлении зондирования (рассеяние вперед)
является частным случаем бистатического рассеяния, при котором бистатический
угол составляет 180°, а нужное направление находится вдоль зоны тени позади
цели.
Тень сама по себе может рассматриваться как сумма двух полей почти равной
напряженности, но с разностью фаз 180°. Одним из них является падающее поле,
а другим — рассеянное поле. Формирование тени предполагает, что рассеяние
вперед достаточно велико, что справедливо для данной ситуации. Напряженность
поля позади цели вряд ли когда-нибудь точно равна нулю, однако некоторая часть
мощности обычно просачивается в зону тени благодаря дифракции на краях цели.
Примеры характеристик ЭПР. Для обсуждения радиолокационных свойств эф-
фективной площади рассеяния сначала рассмотрим цели простой формы, из кото-
рых сфера является классическим примером. Затем будут рассмотрены объекты
сложной формы, например самолет.
Объекты простой формы. Благодаря радиальной симметрии идеально проводя-
щая сфера является самым простым из всех трехмерных рассеивателей. Однако
несмотря на простоту ее геометрической поверхности и изменчивость рассеяния в
зависимости от ракурса ЭПР сферы значительно варьируется с изменением элект-
рического размера. Точное решение для определения рассеяния проводящей сфе-
ры известно как Ми-последовательность [4], которая показана на рис. 14.2.
Обратите внимание, что график разделен примерно на три области. В рэлеев-
ской области при значениях kа < 1 ЭПР увеличивается до значения радиуса сферы
в четвертой степени, что характерно для зависимости площади рассеяния электри-
чески малых тел, будь они сферической или другой формы. В этой области падаю-
щая волна не может дать точного разрешения изменений отношения длины тела к
ширине. В оптической области при значениях kа > 10 оптические формулы для
расчета ЭПР металлического тела обычно работают достаточно хорошо. Между
рэлеевской и оптической расположена резонансная область, где два или более
механизма формирования рассеяния взаимодействуют по фазе друг с другом, что
дает колебания в графике ЭПР.
В случае сферы колебания в резонансной области обусловлены двумя особыми
видами рассеяния: с одной стороны, зеркального рассеяния от передней (освещен-
ной) поверхности сферы, а с другой, — созданного поверхностной волной, кото-
рая формируется затененной стороной сферы. Волны данного типа называют
«ползучими». Два рассеянных сигнала складываются с учетом фазы. По мере того
как размер сферы становится больше, увеличивается различие в фазах сигналов,
поскольку растет различие в длине электрического пути, проходимого сигналами
от источника рассеяния к приемнику с увеличением kа. Колебания уменьшаются
с увеличением kа потому, что ползучая волна теряет больше энергии в связи с уве-
личением проходимого электрического пути вокруг теневой части сферы.
Если бы имело место только зеркальное рассеяние, ЭПР идеально проводящей
сферы в оптической области вычислялась бы по простой формуле
a2, (14.2)
где а — радиус сферы. ЭПР проницаемых (диэлектрических) тел найти намного
сложнее, поскольку радиоволна может проникать в тело и рассеиваться от его внут-
ренних поверхностей прежде, чем отразится обратно. Примером такой цели явля-
ется диэлектрическая сфера, ЭПР которой представлена на рис. 14.31. Поскольку
диэлектрический материал вызывает небольшое рассеяние, о чем свидетельствует
ненулевая мнимая часть показателя преломления, то ЭПР сферы постепенно убыва-
ет с ростом электрических размеров тела. Атлас с соавторами пошел еще дальше,
сравнивая измеренные и теоретические ЭПР сфер из оргстекла в попытках рассчи-
тать рассеяние от градин [6].
Определение ЭПР очень тонких диэлектрических тел не связано с подобной
сложностью, поскольку источники рассеяния (например передняя и задняя поверх-
ности диэлектрического цилиндра) расположены слишком близко друг к другу, что-
бы разрешить их с помощью зондирующего сигнала. Примером является осевая
ЭПР тонкой струны, которая показана на рис. 14.4. Струна протянута через всю
зону зондирования большой закрытой испытательной камеры под углом 45°. ЭПР
измеряли в виде функции частоты для четырех приемо-передающих комбинаций
поляризации. Показаны только данные измерений при вертикально-вертикальной
(ВВ) поляризационной и кросс-поляризационной горизонтально-вертикальной
(ГВ) развертках, поскольку данные при других поляризационных базисах были
получены на основе данных измерений. Измеренные данные представляют собой
быстро меняющиеся диаграммы и статистически совпадают с плавно меняющимися
диаграммами, представляющими точное решение двумерного волнового уравнения
для диэлектрических цилиндров.
Диаметр струны составлял 0,012 дюйма (0,31 мм), а облучаемая длина (по оцен-
кам) — около 37 футов1. На основе усреднения результатов измерений в режимах
ВВ и ГВ, которые выявили различие в 10,7 дБ, было установлено, что эффективная
диэлектрическая постоянная струны еr = 2,646. Возможно, это была первая попытка
использования измерений ЭПР для оценки диэлектрической постоянной струн, ко-
торые представляют особый интерес при стендовых испытаниях ЭПР, поскольку
они могут дать «невидимые» подтверждения присутствия целей.
Поведение коротких проволочных диполей заметно отличается от длинных
струн из диэлектрика. Как показано на рис. 14.5, осевое рассеяние от металличе-
ской проволоки обладает резонансом при нечетных значениях, кратных половине
длины волны, и почти постоянным уровнем рассеяния между резонансными пиками. Данные области постоянного уровня растут с увеличением длины диполя и становятся менее четкими по мере того, как диполь становится толще и длиннее.
В конце концов они исчезают, когда диполь достигает определенной длины и тол-
щины.
ЭПР может вырасти до значительных уровней на больших ракурсах, а также в
поперечной области, как для толстых, так и для тонких тел. Данные отражения при
малых ракурсах связаны с поверхностными бегущими волнами, которые рассеивают
зондирующую мощность обратно. Примером является огива: веретенообразное
тело, которое образуется при вращении дуги окружности вокруг своей хорды.
На рис. 14.6 представлена ЭПР огивы с длиной 39л и полууглом 15°, записан-
ная для горизонтальной поляризации (падающее электрическое поле расположено
в осевой плоскости огивы и прямой видимости). Большой всплеск в правой части
ЭПР — это зеркальное рассеяние в поперечном направлении, а последователь-
ность пиков в левой части — вклад поверхностной бегущей волны в осевом
направлении к концу огивы. Заметим, что ЭПР в данном случае крайне мала (бук-
вально неизмерима в данном случае) в направлении к концу тела. Теоретические
расчеты ЭПР концевых областей огивы практически совпадают с измерениями
ЭПР тела этой формы.
Металлическая пластина является телом более простой формы, чем огива, по-
казанная на рис. 14.6, но ее ЭПР — не менее сложной. Примерная диаграмма
ЭПР приведена на рис. 14.7 для четырех различных комбинаций поляризации па-
дающей и рассеянной волны. Диаграммы ГГ- (точечная кривая) и ГВ- (пунктир-
ная кривая) поляризаций сдвинуты вниз на 5 дБ для ясности, в то время как для
ВВ- (длинная пунктирная кривая) и ВГ- (сплошная линия) поляризаций представ-
лены без смещения. Пластина вращалась вокруг вертикальной оси, параллельной
одному краю, а поляризации падающего и рассеянного сигналов соответственно
либо параллельны (В), либо перпендикулярны (Г) ее оси.
Ситуация, когда плоскость пластины перпендикулярна направлению падения
волны и соответствует центру диаграммы (0°), повернута ребрами в левой и пра-
вой части диаграммы (90°). Большие значения ЭПР, соответствующие зеркальным
отражениям от пластины, в центре диаграммы рассчитываются с достаточной точ-
ностью по формуле, приведенной в табл. 14.1 для плоской пластины. Отражения
от ребер при ВВ-поляризации также можно рассчитывать по формуле, приведен-
ной в табл. 14.1 для прямых ребер.
Волнообразное изменение ЭПР по закону sin х / х происходит при ракурсах,
близких к 30°. За пределами этих значений две картины ЭПР приобретают значи-
тельные различия за счет расширения полей. Следование закону sin х / х харак-
терно для равномерного распределения облучения по апертуре, но в отличие от
функции одностороннего возбуждения, которая встречается в работе антенны,
аргумент х для плоской пластины включает в себя двустороннюю (круговое про-
хождение) функцию возбуждения (падающее и рассеянное излучение). Таким
образом, ширина луча рассеяния плоской пластины равна половине ширины диа-
граммы направленности апертуры антенны такого же размера. Появление высту-
пающего лепестка горизонтальной ЭПР в интервале между 70° и 80° обусловлено
поверхностной бегущей волной.
В отличие от характера изменения ЭПР плоской пластины величина ЭПР
уголкового отражателя остается практически постоянной в достаточно широком
секторе углов. Это связано с тем, что уголковый отражатель является структурой с
многократным отражением падающей волны, поэтому вне зависимости от ракурса
облучения (конечно, в пределах разумного) волны, отраженные от внутренней
поверхности, направляются обратно к источнику зондирования. Уголковый отра-
жатель состоит из двух или трех плоских пластин, расположенных ортогонально
друг другу, поэтому волны, падающие на одну грань, отражаются от нее в направ-
лении второй, и если на их пути оказывается третья грань, то она отражает сум-
марную отраженную волну от первых двух поверхностей. Взаимная ортогональ-
ность поверхностей гарантирует, что после окончательного отражения волны
направляются обратно к источнику излучения.
Отдельные поверхности уголкового отражателя могут иметь произвольную
форму, но наиболее распространенной для трехгранного уголка является равно-
бедренный или равносторонний треугольник; двугранные уголки обычно имеют
грани прямоугольников. ЭПР уголкового отражателя вдоль оси его симметрии
идентична ЭПР плоской пластины, площадь которой соответствует площади рас-
крыва уголкового отражателя. Величина рассеяния может быть определена путем
нахождения полигональных областей на каждой из сторон (граней) уголкового от-
ражателя, на которые падают волны, отраженные от других поверхностей, и от ко-
торых окончательное отраженное излучение рассеивается обратно к источнику.
Эффективная площадь определяется суммированием проекций областей этих по-
лигонов на линии визирования [11]; ЭПР затем находят путем возведения в квад-
рат площади этой области, умножая на 4р и деля на л2.
Рис. 14.8 представляет собой диаграммы ЭПР трехгранного уголкового отра-
жателя с треугольными гранями. Отражатель изготовлен из трех треугольных клее-
ных фанерных панелей, металлизированных для повышения отражательных
свойств поверхности. Раскрыв уголка, обращенный к радару, таким образом, име-
ет форму равностороннего треугольника, как показано на рис. 14.9. Восемь ЭПР,
представленных на рис. 14.8, измеряли в плоскости раскрыва при наклоне на угол
ц выше или ниже линии визирования.
Широкая центральная часть данных диаграмм ЭПР обусловлена тройным от-
ражением между тремя поверхностями, в то время как «всплески» по бокам диа-
граммы ЭПР вызваны однократным рассеянием от отдельной поверхности. Вдоль
оси симметрии трехгранного отражателя, показанного на рис. 14.9 (и = 0°, ц = 0°),
ЭПР равна рL4 / 3л2, где L — длина одной из сторон раскрыва. Не показано
уменьшение рассеяния, когда треугольные поверхности не перпендикулярны друг
другу. Уменьшение рассеяния зависит от размера поверхности, выраженного в
длинах волн [12, 13].
ЭПР объектов самой простой геометрической формы, рассмотренные в
этом разделе, можно рассчитать с помощью простых формул, приведенных в табл. 14.1. ЭПР некоторых тел более сложной формы можно оценить путем их представления в виде набора
тел простой формы, таких как перечисленные в табл. 14.1, рассчитывая индивидуальный вклад каждого простого тела, а затем суммируя их в различном порядке в соответствии с це-
лью расчета.
Объекты сложной формы. Такие объекты, как насекомые, птицы, самолеты, корабли и антенны, имеют гораздо более сложную форму в отличие от
тел, рассмотренных выше, либо из-за множества составляющих их рассеивателей,
либо из-за сложности их поверхностных профилей и различий в диэлектрической
постоянной. Насекомые являются примером последнего случая.
Измеренные значения для десятков видов насекомых приведены в табл. 14.2.
Измерения проводились на живых насекомых, которые были обездвижены из-за
действия наркотических веществ. На рис. 14.10 отображена взаимосвязь между
ЭПР и массой насекомого, для сравнения показана ЭПР капли воды. В табл. 14.3
указаны ЭПР человека, по данным Шульца и соавторов [16]. Другие сравнения
были сделаны для птиц и насекомых [17].
Примеры ЭПР самолета показаны на рис. 14.11 и 14.12. ЭПР самолета B-26 на
рис. 14.11 измерялась на частоте 3 ГГц. Полярная система координат полезна для
демонстрационных целей, но она не так удобна для подробного сравнения, как пря-
моугольная система координат, которая используется на рис. 14.12. ЭПР самолета
C-29 измерялась для модели в масштабе 1 к 3 и была продемонстрирована в начале
2000-х годов на веб-сайте ВВС США [20]. C-29 является военной версией коммер-
ческих воздушных судов среднего размера производства Raytheon Hawker 800XP.
На веб-сайте ВВС дано очень мало технических деталей об условиях испыта-
ний и сборе данных, таких как частота и поляризация измерений, даже не указаны
единицы ЭПР. Однако, даже если мы не знаем частоту или поляризацию испы-
таний, можно установить, что ЭПР самолета в полном масштабе будет на (3 Ї 3) =
= 9,5 дБ больше, чем представленная на рисунке (т.е. больше на величину, обратную
коэффициенту масштабирования в квадрате). Мы предполагаем, что излучение,
падающее на нос самолета, находится в центре ЭПР и что представленная ЭПР дана
в децибелах на квадратный метр на тестовой частоте.
На рис. 14.13 показана величина ЭПР судна, измеренная на частоте 2,8 и
9,225 ГГц при горизонтальной поляризации. Данные были собраны на измери-
тельном комплексе береговых радаров, когда корабль проходил обработку водя-
ным паром в Чесапикском заливе. Три следа в этой ЭПР представляют измере-
ния на уровне сигнала 80, 50 и 20%, собранных для ракурсного «окна» 2° в
ширину. ЭПР не являются симметричными, особенно на более высокой частоте.
Обратите внимание, что ЭПР может превышать 1 mi2 (64,1 дБ кв.м).
Эмпирическая формула для расчета ЭПР военно-морского корабля —
52 f 1/ 2D3/ 2, (14.3)
где f — рабочая частота радара в мегагерцах, D — водоизмещение судна с полной за-
грузкой в тыс. т [21, 22]. Соотношение основано на измерении ЭПР нескольких су-
дов при низких углах скольжения и представляет собой среднее значение ЭПР по
срединной линии в ракурсах с носовой части и правого борта, но без учета осевых
пиков. В статистику включены данные, собранные при номинальной длине волны
3,25, 10,7 и 23 см при перемещении кораблей с водоизмещением 2—17 тыс. т.
На рис. 14.14 приведены общие уровни ЭПР для широкого ряда целей различ-
ной формы, обсуждаемых в этом разделе, в зависимости от их объема в сравнении
с ЭПР металлической сферы. По оси ординат дана ЭПР в квадратных метрах, а по оси абсцисс — объем цели в кубических футах. Поскольку график предназначен
только для демонстрации широкого диапазона ЭПР, с которыми можно столк-
нуться на практике, расположение объектов является приблизительным в лучшем
случае. В рамках данных классов целей ЭПР может изменять на целых 20 или
30 дБ, в зависимости от частоты, ракурса, а также конкретных характеристик
цели. Читатели, желающие более подробно ознакомиться с этими данными, могут
обратиться к списку литературы в конце этой главы.