eng
Содержание
Предисловие ко второму изданию 8
Введение 9
Глава 1. Общие сведения о радиолокации 11
1.1.
Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 11
1.2.
Отличительные особенности функционирования
радиолокационных систем 24
1.3.
Типовая структура радиолокационной системы 27
Литература 30
Глава 2. Физические основы радиолокации 32
2.1.
Основные закономерности распространения радиоволн,
используемые в радиолокации при обнаружении целей
и измерении их координат 34
2.2.
Методы измерения координат и параметров движения целей 46
2.2.1.
Методы измерения расстояний 46
2.2.2.
Методы измерения угловых координат 53
2.2.3.
Измерение относительной скорости движения цели 65
Литература 68
Глава 3. Объекты радиолокационного наблюдения 69
3.1.
Особенности отражения радиоволн объектами радиолокационного
наблюдения 69
3.2.
Типы радиолокационных целей 72
3.3.
Эффективная поверхность отражения (рассеяния)
радиолокационных целей 76
3.4.
Радиолокационная заметность целей и пути ее снижения 81
Литература 87
Глава 4. Обнаружение объектов 88
4.1.
Основное содержание задачи обнаружения
радиолокационных целей 88
4.2.
Устройства обработки радиолокационного сигнала,
решающие задачу обнаружения наблюдаемых целей 93
4.3.
Определение основных показателей обнаружения
радиолокационных целей 101
4.4.
Характеристики обнаружения радиолокационных устройств
обнаружения 105
Литература 108
Глава 5. Разрешение объектов радиолокационного наблюдения 109
5.1.
Что такое разрешающая способность радиолокационной системы
и как она определяется 109
4
Содержание
5.2.
Оценка показателей разрешающей способности радиолокационной
системы 116
5.2.1.
Связь разрешающей способности РЛС по шкале дальности
с параметрами зондирующего сигнала 116
5.2.2.
Связь разрешающей способности РЛС по шкале скорости
с параметрами зондирующего сигнала 123
5.2.3.
Связь разрешающей способности РЛС по угловым координатам
с параметрами ее антенной системы 126
5.3.
Реальная разрешающая способность радиолокационной системы 129
Литература 131
Глава 6. Точность измерения координат объектов наблюдения 132
6.1.
Извлечение информации о координатах и параметрах движения
наблюдаемых объектов 132
6.2.
Влияние помех на процесс оценивания параметров принимаемых
радиолокационных сигналов 134
6.3.
Взаимосвязь точности измерения координат и параметров
движения целей с характеристиками и параметрами РЛС 138
6.4.
Устройства, обеспечивающие формирование оценки параметров
радиолокационного сигнала 144
6.5.
Основные этапы решения задачи фильтрации параметров
радиолокационного сигнала 148
Литература 151
Глава 7. Радиолокационные сигналы и их формирование 152
7.1.
Описание радиолокационных сигналов 152
7.2.
Принципы формирования зондирующих сигналов 167
7.3.
Особенности конструктивного исполнения генераторов
и усилителей СВЧ-диапазона 173
7.4.
Формирование требуемой структуры зондирующих сигналов 178
Литература 183
Глава 8. Преобразование радиолокационных сигналов в радиоволну.
Радиолокационный сигнал как электромагнитная волна 184
8.1.
Физические основы преобразования радиолокационных сигналов
в электромагнитную волну 184
8.2.
Поляризационные свойства электромагнитных волн 191
8.3.
Типы антенных устройств РЛС 193
8.4.
Основные характеристики антенных устройств радиолокационных
систем 205
8.5.
Антенные системы современных и перспективных РЛС 211
Литература 214
Глава 9. Прием и обработка радиолокационных сигналов 216
9.1.
Выделение полезной информации из радиолокационного сигнала 216
Содержание 5
9.1.1.
Радиолокационный приемник как основной элемент выделения
полезной информации 217
9.1.2.
Типы радиолокационных приемников 219
9.2.
Основное содержание процедуры обработки радиолокационного
сигнала 223
9.3.
Характеристики и параметры радиолокационных приемников 224
9.4.
Особенности некогерентной и когерентной обработки
радиолокационных сигналов 228
Литература 231
Глава 10. Цифровая обработка радиолокационных сигналов 232
10.1.
Общие сведения о цифровой обработке радиолокационных
сигналов 232
10.1.1.
Способы реализации цифровой обработки радиолокационных
сигналов 234
10.1.2.
Достоинства и недостатки цифровой обработки 237
10.2.
Особенности преобразования радиолокационного сигнала
в цифровой вид 241
10.3.
Выделение полезной информации из цифрового сигнала 244
10.4.
Что такое цифровой фильтр? 251
10.5.
Типы цифровых радиолокационных приемников 252
Литература 256
Глава 11. Обработка радиолокационных сигналов, отраженных от подвижных
объектов 257
11.1.
Особенности радиолокационного наблюдения подвижных
объектов 257
11.2.
Выделение информации о движении цели 261
11.3.
Варианты построения когерентно-импульсных РЛС,
обеспечивающих выделение сигналов движущихся целей 266
11.4.
Селекция движущихся целей с помощью устройств
череспериодной компенсации 271
11.5.
Фильтровые системы селекции движущихся целей 277
Литература 279
Глава 12. Обобщенная структура радиолокационной системы 280
12.1.
Особенности структуры построения приемо-передающих трактов
когерентных и некогерентных РЛС 280
12.2.
Система обработки радиолокационного сигнала типового
радиолокатора 291
12.3.
Представление получаемой информации о целях в современных
радиолокаторах 293
Литература 301
Глава 13. Радиолокационные системы управления воздушным движением 302
13.1.
Что такое системы управления воздушным движением? 302
6
Содержание
13.2.
Состав радиолокационного оборудования системы управления
воздушным движением 304
13.3.
Требования, предъявляемые к радиолокационным системам
управления воздушным движением 307
13.4.
Радиолокационные системы управления воздушным движением 312
Литература 340
Глава 14. Наземные и корабельные РЛС 341
14.1.
Типы наземных и корабельных радиолокационных систем 341
14.2.
Особенности решения задачи мониторинга воздушно-
космического пространства 343
14.3.
Наблюдение радиолокационных целей, скрытых за горизонтом 346
14.4.
Общие принципы построения и функционирования
надгоризонтных РЛС 348
Литература 372
Глава 15. Бортовые авиационные радиолокационные системы мониторинга
воздушного пространства 373
15.1.
Особенности функционирования бортовых авиационных
радиолокационных систем 373
15.2.
Перехват воздушных целей как процедура обнаружения объектов
наблюдения и измерения их координат 375
15.3.
Основные задачи и характеристики бортовых авиационных
радиолокационных систем комплексов перехвата 379
15.4.
Общие тенденции построения бортовых РЛС комплексов
перехвата и прицеливания 386
15.5.
Решение задачи обнаружения воздушных целей,
наблюдаемых на фоне мешающих отражений,
бортовой РЛС авиационного носителя 390
15.6.
Структура бортовой РЛС комплекса перехвата 410
Литература 414
Глава 16. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земной
поверхности 416
16.1.
Типы радиолокационных систем дистанционного зондирования
земли и особенности их работы 416
16.2.
Обработка радиолокационного сигнала при формировании
радиолокационного изображения наблюдаемой поверхности
в режиме реального луча 423
16.3.
Повышение разрешающей способности РЛС обзора земли
в азимутальной плоскости на основе принципа синтезирования
апертуры антенны 426
16.4.
Обработка пространственно-временного сигнала
в радиолокационной системе с режимом синтезирования
апертуры антенны 431
Содержание 7
16.5.
Формирование радиолокационного изображения участка
наблюдаемой поверхности в режимах синтезирования апертуры
антенны 438
16.6.
Разрешающая способность РЛС с режимом синтезирования
апертуры антенны 443
16.7.
Выделение движущихся наземных целей и структура построения
современной РЛС с режимом синтезирования апертуры антенны 446
Литература 450
Глава 17. Метеорологические радиолокационные системы 451
17.1.
Особенности функционирования метеорологических
радиолокационных систем 451
17.2.
Характерные особенности метеорологических объектов
радиолокационного наблюдения 456
17.3.
Типы метеорологических радиолокаторов 459
Литература 464
Глава 18. Другие области применения радиолокационных систем 466
18.1.
Дистанционная диагностика состояния организма человека 467
18.2.
Области применения биорадиолокации 471
18.3.
Активные и пассивные радиолокационные системы в текущей
жизни человека 473
Литература 489
Глава 19. Радиолокационные фотонные системы 490
19.1.
Общие сведения о фотонике 490
19.2.
Недостатки электронных технологий 491
19.3.
Особенности применения оптических технологий
в радиолокационных системах 493
19.4.
Структурная схема полностью оптической радиофотонной РЛС 495
19.5.
Основные элементы радиофотонной РЛС 500
Литература 510
Глава 20. История развития радиолокации 511
Заключение 543
Послесловие ко второму изданию 544
К читателю 545
Послесловие. Профессор В. С. Верба 546
Сведения об авторах 549
Список сокращений 550
Предметный указатель 552
Ïðåäèñëîâèå êî âòîðîìó èçäàíèþ
Уважаемый читатель, в Ваших руках находится научно-популярная книга «Ра-
диолокация для всех», с которой после ее первого издания успела познакомить-
ся довольно широкая аудитория. Данная книга ориентирована в первую очередь
на людей, которых интересуют научные знания как таковые, а также на молодое
поколение читателей, делающих свои первые профессиональные шаги. Автор-
ский коллектив книги в доступной форме («просто о сложном») изложил совре-
менные знания о радиолокации, в которые вошли:
теоретические основы радиолокации, по • зволяющие понять, как можно
получить информацию о координатах и параметрах движения наблюда-
емых объектов и определить их пространственное положение;
• принципы построения радиолокационных систем, показывающие, как
формируются и обрабатываются радиолокационные сигналы для того,
чтобы извлечь информацию о наблюдаемых объектах;
• конкретные типы радиолокационных систем, которые применяются
при решении как народно-хозяйственных задач, так и задач в военной
сфере.
Во вторую редакцию книги включены две новые главы. Одна из них посвя-
щена соединению двух областей знаний – радиолокации и фотоники. В данной
главе демонстрируется перспективное направление развития радиолокации,
в рамках которого использование положительных свойств фотоники позволяет
получить информационную систему совершенно нового уровня, обеспечиваю-
щую решение задач радиовидения.
Не менее интересна глава, посвященная истории возникновения и разви-
тия радиолокации. При этом исторические материалы рассматриваются приме-
нительно не только по отношению к нашей стране, но и к зарубежным странам.
Изложенный материал позволяет увидеть, как делались первые шаги в области
радиолокации, и узнать об основных этапах ее развития.
Надеемся, что новая редакция научно-популярной книги будет интересна
широкому кругу читателей. Ждем Ваших замечаний и предложений, направ-
ленных на улучшение содержания и качества книги.
С уважением,
член-корреспондент РАН,
доктор технических наук,
профессор В. Верба
Ââåäåíèå
Данная книга посвящена сравнительно молодой и интересной отрасли на-
уки и техники — радиолокации. Первые упоминания о возможности использо-
вания радиоволн для обнаружения различных объектов относятся к концу 90-х
годов XIX столетия. Однако серьезные исследования в данной области, направ-
ленные на создание практических радиолокационных устройств, начались су-
щественно позже — в конце 20-х — начале 30-х годов XX столетия.
Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была на-
целена на решение военных задач — обнаружение объектов противника (целей),
измерение их координат и параметров движения для последующего своевре-
менного уничтожения данных объектов.
Однако в современных условиях без помощи радиолокации человек не мо-
жет, обходиться в своей повседневной жизни. Только помощь радиолокации,
может не столь очевидна для окружающих, как помощь, например, мобильной
связи или спутниковой навигации, поэтому о ней говорят, главным образом,
только специалисты.
Никто из тех, кто хоть раз летал самолетом в командировку или на отдых,
не задумывался, что обеспечение безопасности полета самолета в существен-
ной степени зависит от работы наземных радиолокационных систем, которые
контролируют его движение на трассе, при подходе к аэропорту, в районе аэро-
порта, при посадке самолета и его движении по летному полю.
Прогноз погоды и предупреждение об опасных метеорологических явлени-
ях, например таких, как смерчи, также не обходятся, а в ряде случаев и невоз-
можны без радиолокации. Единственным средством, которое может предупре-
дить экипаж воздушного лайнера о встрече с таким опасным метеообъектом,
как грозовое облако, является бортовой радиолокатор самолета.
Системы радиолокации являются незаменимыми помощниками человека
при наблюдении им окружающей его воздушной, наземной или морской обста-
новок в условиях, когда отсутствует оптическая видимость, — в условиях силь-
ной облачности, тумана, задымленности, в ночное время суток.
Спектр использования систем радиолокации в повседневной деятельности
человека достаточно широк. Это и медицина, и транспорт, и сельское хозяй-
ство, и военное дело. Сфера применения радиолокации этими областями не ог-
раничивается. Возможности ее использования достаточно широки.
В то же время, для понимания сути такой интересной и сложной области
науки и техники, как радиолокация, требуется достаточно большой объем зна-
ний, которые закладываются еще в средней школе и затем наращиваются при
обучении в высших технических учебных заведениях. Обычно дисциплины
по радиолокации в технических вузах студенты начинают изучать на последних
10 Введение
курсах, после освоения базовых дисциплин радиоинженера. Вот только некото-
рые из них: математический анализ, дифференциальное и интегральное исчис-
ление, теория вероятностей и математическая статистика, курс физики, радио-
технические цепи и сигналы, статистическая радиотехника, электродинамика
и распространение радиоволн. Это зачастую отпугивает молодых людей от ос-
воения радиолокации. В этой связи авторы попытались рассказать о радиоло-
кации простым языком, без излишнего насыщения материала математически-
ми формулами. Для понимания материала, представленного в книге, читателю
достаточно знаний по математике и физике, полученных в рамках программы
средней школы. Однако при этом в книге рассмотрены как физические, так
и теоретические основы радиолокации. Показаны традиционные области при-
менения радиолокационных систем. Обращается внимание на перспективные
направления применения радиолокации.
Изложение материала в книге ведется в форме беседы. Одним ее участни-
ком является специалист в области радиолокации — профессор кафедры ра-
диолокации, другим — студент, не знакомый с радиотехникой и ее областью
радиолокацией. Студент задает вопросы, а профессор на них отвечает.
Построение книги выполнено таким образом, что каждая глава может рас-
сматриваться как самостоятельная единица. Поэтому отдельно взятую гла-
ву можно читать, не опираясь на материал, рассматриваемый в других главах
книги. Каждая глава в книге завершается списком литературы, в котором ука-
зываются источники, позволяющие читателю при его желании более детально
изучить материал, рассмотренный в текущей главе.
Книга ориентирована, в первую очередь, на выпускников школ и студен-
тов первых курсов технических вузов, которые еще ищут себя в избранной про-
фессии. В то же время она может служить подспорьем и для студентов старших
курсов радиотехнических факультетов, обучающихся по специальности «Ра-
диоэлектронные системы и комплексы». Кроме того, книга будет полезна и тем,
кто проявляет интерес к получению новых знаний. Надеемся, что книга мо-
жет заинтересовать и тех, кто далек как от радиолокации, так и радиотехники
в целом.
Книга подготовлена коллективом авторов — членом-корреспондентом
РАН, доктором технических наук, профессором В. С. Вербой (руководитель ав-
торского коллектива и редактор материалов глав книги), докторами техниче-
ских наук, профессорами А. Р. Ильчуком, Б. Г. Татарским, доктором техниче-
ских наук К. Ю. Гавриловым и кандидатом технических наук А. А. Филатовым,
которые имеют богатый практический опыт преподавательской деятельности
в ведущих технических вузах страны и научно-исследовательской и опытно-
конструкторской работы на предприятиях, занятых разработкой перспектив-
ных радиолокационных комплексов и систем.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß
Î ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор! В средствах массовой информации час-
то упоминаются такие слова, как «радиолокационные системы»,
«радиолокационные комплексы». Не могли бы Вы пояснить, что это
за системы и, в первую очередь, что такое радиолокация?
1.1. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ðàäèîëîêàöèè è òèïû
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Начну с Вашего последнего вопроса. Термин «радиолокация» про-
исходит от двух латинских слов: «radiare», которое означает «излу-
чать», и «locatio» — «размещение, расположение». Сложение этих двух
слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается опреде-
лением местоположения различных объектов по излученным от них сигналам.
Это самое общее толкование слова «радиолокация». Более точной формулиров-
кой будет следующая. Под радиолокацией понимают область радиоэлектрони-
ки, которая занимается разработкой методов и технических устройств (систем),
предназначенных для обнаружения и определения координат и параметров
движения различных объектов с помощью радиоволн. С помощью радиолока-
ции обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением
воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения)
различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и мор ским
движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности дви-
жения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явле-
ний, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое
время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принци-
пах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма че-
ловека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк,
несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.
Первые упоминания о возможности использования радиоволн для обнаруже-
ния различных объектов относятся ко второй половине 90-х годов XIX столе-
тия. В частности, годом рождения радиолокации в России считается 1897-й,
12 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
когда изобретатель радио Александр Степанович Попов, проводя свои экспери-
менты в открытом море по установлению связи с помощью беспроводного теле-
графа, обнаружил эффект отражения радиоволн. Было это так.
Летом 1897 года под руководством А. С. Попова в Финском заливе прово-
дились испытания радиоаппаратуры, изобретенного им беспроволочного те-
леграфа. В испытаниях принимали участие два морских судна — транспорт
«Европа» и крейсер «Азия». На данных судах были установлены приемная и пе-
редающая аппаратура, и между ними поддерживалась непрерывная радиосвязь.
Неожиданно между кораблями прошел линейный крейсер «Лейтенант Ильин».
Связь между кораблями прервалась. Через некоторое время, когда «Лейтенант
Ильин» прошел линию, соединяющую корабли, связь возобновилась. Это «за-
тенение» было замечено испытателями, и в отчете А. С. Попова по результатам
экспериментов было отмечено, что появление каких-либо препятствий между
передающей и приемной позициями может быть обнаружено как ночью, так
и в тумане. Так родилась радиолокация.
Таким образом, радиолокация — это область радиотехники, ко-
торая занимается разработкой методов и систем, предназна-
ченных для обнаружения различных объектов и измерения их
координат и параметров движения с помощью радиоволн.
Для того чтобы были понятны последующие мои объяснения, рассмотрим
основные термины и определения, которые используются в радиолокации.
Процесс просмотра заданной области пространства в целях получения ин-
формации о наличии в ней различных объектов и определения их параметров
с помощью радиоволн называют радиолокационным наблюдением. Объекты же
радиолокационного наблюдения называют радиолокационными целями или
просто целями. Примерами радиолокационных целей могут служить: корабли,
самолеты, танки, автомашины, люди, птицы и т. д.
Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например
обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью
одноименных радиолокационных устройств — радиолокационного обнаружите-
ля или радиолокационного измерителя дальности (радиолокационного даль-
номера) соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, пред-
назначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения
перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется
радиолокационной системой (РЛС) или радиолокатором. Техническая реализа-
ция такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англо-
язычной литературе — радаром.
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 13
Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный
сигнал, который может быть сформирован либо путем отражения (вторичного
излучения) электромагнитных колебаний (ЭМК) от цели, либо переизлучения
(ретрансляции) данных колебаний целью, либо излучения колебаний самой
целью. Электромагнитные колебания, которые используют для облучения цели
или заданной области пространства, обычно называют зондирующими колебани-
ями или зондирующим сигналом.
Операции, выполняемые в ходе радиолокационного наблюдения над при-
нимаемыми радиолокационными сигналами для извлечения информации о це-
лях, называют обработкой радиолокационных сигналов. Обработка является
составной частью процесса радиолокационного приема, который, помимо выше-
названной процедуры, включает также процедуры преобразования радиолока-
ционного сигнала, не связанные с извлечением информации о цели.
В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала раз-
личают следующие типы РЛС или методы радиолокации.
1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения.
При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излу-
чается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодей-
ствия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который
поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устрой-
стве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели (рис. 1.1). Данный
метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение
в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного
метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС
находятся в одной точке пространства.
2. Активные РЛС с активным ответом, или активный метод радиолокации
с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формиру-
ется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий
сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате от-
ражения излучаемых ЭМК целью, а за счет переизлучения их с помощью
РЛС
Цель
Излученный сигнал
Отраженный сигнал
Рис. 1.1. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
14 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором (рис. 1.2).
Данный метод широко используется в системах определения государственной
принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением
(УВД), а также в радионавигационных системах, например в радиотехниче-
ских системах ближней навигации при определении дальности до радиомаяка
(устройство, излучающее радиосигналы, местоположение которого известно
наблюдателю).
3. Полуактивный метод радиолокации, или полуактивные РЛС. При исполь-
зовании данного метода радиолокационный сигнал формируется, как при ак-
тивном методе путем отражения зондирующих ЭМК от цели. Но передающее
устройство, формирующее зондирующие ЭМК (передатчик (ПРД) РЛС), и ус-
тройство, принимающее отраженные сигналы (приемник (ПРМ) РЛС), разне-
сены в пространстве (рис. 1.3). Данный метод, например, широко использует-
ся при наведении управляемых ракет класса «воздух — воздух» на поражаемые
воздушные цели, а также в многопозиционных РЛС, под которыми обычно
понимают совокупность разнесенных в пространстве нескольких устройств
РЛС
Цель
Переизлученный сигнал
Ретранслятор
Излученный сигнал
Рис. 1.2. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
с активным ответом
Излученный сигнал
ПРД
Цель
Отраженный сигнал
ПРМ
Рис. 1.3. Графическая иллюстрация принципа полуактивной радиолокации
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 15
формирования зондирующих сигналов (передатчиков) и устройств приема от-
раженных сигналов (приемников).
4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблю-
дения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной
особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного
устройства (приемника (ПРМ)), состоящего из приемной антенны и собственно
приемника (рис. 1.4). Отсутствие необходимости формирования зондирующе-
го колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС
широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника,
например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей
стороны.
Собственное
излучение цели
Цель
ПРМ
Рис. 1.4. Графическая иллюстрация принципа пассивной радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы могут быть ак-
тивными, полуактивными, активными с активным ответом
и пассивными.
В ходе радиолокационного приема поступивших на вход ПРМ РЛС элект-
ромагнитных колебаний от цели, как правило, необходимо решить следующие
задачи:
1) обнаружить цель, т. е. установить факт наличия полезного сигнала s(t),
отраженного от цели, в принимаемом колебании у(t). Прием данного колеба-
ния у(t), как правило, сопровождается различного рода помехами n(t), природа
происхождения которых может быть самой разнообразной (внутренний шум
приемника РЛС, отражения от облака пассивных отражателей, искусственно
организованные помехи и т. п.). Помехи относятся к категории так называе-
мых случайных сигналов, предсказать изменение которых во времени заранее
невозможно. В этой связи при действии помех заранее неизвестно, есть ли по-
лезный сигнал, например отраженный от цели, в принятом приемником РЛС
16 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
колебании. При отсутствии помех любой сигнал, который появляется на входе
приемника РЛС, будет восприниматься как полезный. В этой связи при реше-
нии задачи обнаружения, как, впрочем, и всех перечисленных выше, использу-
ется специальный математический аппарат, основанный на теории вероятнос-
тей и математической статистике;
2) разрешить радиолокационные цели, т. е. раздельно обнаружить несколь-
ко одновременно существующих в принимаемом колебании у(t) отраженных
от целей сигналов с близкими, но различающимися параметрами, или изме-
рить значения параметров данных сигналов.
Разрешение имеет смысл при наличии нескольких целей в зоне наблюдения
РЛС; 3) измерить значения параметров полезного сигнала s(t, ) в целях получе-
ния информации о координатах и параметрах движения целей. Такими пара-
метрами чаще всего являются время запаздывания tд, доплеровское смещение
частоты fдп и направление прихода принимаемой электромагнитной волны
(ЭМВ), по которому оцениваются угловые координаты наблюдаемой цели.
Дополнительными задачами радиолокационного наблюдения являют-
ся различение и распознавание целей. Если решение первой задачи позволяет
определить один из классов целей (воздушные, морские или наземные цели),
то решение второй позволяет определить тип цели в заданном классе (самолет,
вертолет и т. д.). Решение данных задач основывается на анализе всего объема
информации, который содержится в радиолокационном сигнале. Эффективное
решение указанных задач возможно при использовании всех характеристик,
описывающих принимаемые радиолокационные сигналы, — временных, про-
странственных и поляризационных.
Все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.
В первую группу входят РЛС класса «воздух — воздух», основной задачей кото-
рых является обнаружение, измерение координат и параметров движения воз-
душных целей. К данным РЛС относятся, например, радиолокационные стан-
ции перехвата и прицеливания, устанавливаемые на самолетах-истребителях
(фото 1.1), либо авиационные РЛС дальнего радиолокационного обнаружения
воздушных целей (фото 1.2).
Вторую группу составляют РЛС класса «воздух — поверхность». Данные РЛС
служат для получения радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверх-
ности либо информации о координатах и параметрах движения наземных целей.
К данным системам относятся, например, РЛС обзора Земли (фото 1.3), которые
обеспечивают получение радиолокационного изображения поверхности Зем-
ли и информации о координатах и параметрах движения наземных целей, либо
РЛС обеспечения безопасности полетов на малых и предельно малых высотах,
которые позволяют получать информацию о структуре рельефа подстилающей
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 17
Фото 1.2. Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения
Фото 1.1. РЛС перехвата и прицеливания самолета-истребителя
Фото 1.3. РЛС обзора Земли
18 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
поверхности Земли. В эту группу входят также и РЛС, обеспечивающие радиоло-
кационную разведку наземных объектов и наблюдение малоразмерных наземных
целей.
В третью группу входят РЛС класса «поверхность — воздух», основной задачей
которых, как и радиолокаторов первой группы, является обнаружение, измере-
ние координат и параметров движения воздушных целей. Однако местом уста-
новки таких систем являются либо поверхность Земли, либо объекты наземной
и морской техники (подвижные или стационарные). Типичным представителем
таких систем являются РЛС обнаружения, входящие в системы управления воз-
душным движением (УВД) (фото 1.4) или противовоздушной обороны (ПВО)
страны, а также РЛС, призванные для наблюдения за метеорологической обста-
новкой (фото 1.5).
Четвертую группу составляют РЛС класса «поверхность — поверхность», ос-
новной задачей которых является обнаружение, измерение координат и пара-
метров движения наземных целей либо воздушных объектов при перемещении
последних по поверхности Земли. Типичным представителем таких систем яв-
ляются, например, РЛС обзора летного поля (фото 1.6), которые входят в систе-
мы управления движением самолетов при рулении их по летному полю (взлет-
но-посадочным полосам (ВПП) и рулежным дорожкам).
Из приведенных примеров РЛС заявленных классов следует, что на первом
месте в названии класса стоит слово, обозначающее место установки радиоло-
катора, а на втором — слово, определяющее объект, по которому работает РЛС.
В частности, например, если речь идет о классе РЛС «поверхность — воздух», то
это значит, что РЛС находится на земной поверхности, а объектами ее наблюде-
ния являются воздушные цели.
Фото 1.4. «Лира Т» — обзорный трассовый радиолокатор
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 19
Кроме отмеченных, существует еще одна группа РЛС, которые строятся
по многофункциональному принципу и объединяют в себе решение задач, напри-
мер, возлагаемых как на радиолокационные системы класса «воздух — воздух»,
так и на системы класса «воздух — поверхность». Другими словами, данные РЛС
объединяют в себе функции радиолокаторов различных классов. Такими, на-
пример, являются бортовые РЛС, устанавливаемые на современные самолеты-
истребители (тактические истребители) (фото 1.7).
Фото 1.6. Радиолокатор обзора летного поля «Атлантика Э3»
Фото 1.5. Метеорологический радиолокатор (метеорадиолокатор) МРЛ -5Б
20 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше
разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые стро-
ятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы
не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния ор-
ганизма человека, либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо
наблюдения космических объектов и т. п. Но в целом приведенная класси-
фикация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному
предназначению.
В ряде случаев в состав бортовых систем технического средства (носителя)
входят несколько РЛС, которые решают одну общую задачу. В этом случае сово-
купность РЛС образует радиолокационный комплекс. Иногда под радиолокацион-
ным комплексом понимают совокупность из РЛС и других технических систем
или устройств, которые обеспечивают решение задачи, возлагаемой на РЛС.
В частности, такой совокупностью может быть РЛС и вычислительная система,
обеспечивающая процесс обработки радиолокационного сигнала.
Таким образом, радиолокационные системы делятся на пять
больших классов: РЛС класса «воздух — воздух», РЛС класса
«воздух — поверхность», РЛС класса «поверхность — воздух»,
РЛС класса «поверхность — поверхность» и многофункциональ-
ные РЛС.
По месту установки РЛС и ее составных частей различают однопозиционные
и многопозиционные РЛС. Под однопозиционными понимают РЛС, передатчик
Фото 1.7. Многофункциональная РЛС «Копье-21»
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 21
и приемник которых располагаются в одной точке пространства. Если данное
условие не выполняется, то РЛС относят к разряду многопозиционных. При по-
строении РЛС по многопозиционному принципу количество передающих
и приемных позиций может быть разным (рис. 1.5). Однако если принцип дейс-
твия многопозиционной РЛС основан на активном методе радиолокации, то
в составе данной системы должна быть как минимум одна передающая позиция
(рис. 1.6). Если в основу работы многопозиционной РЛС положен пассивный
метод радиолокации, то в этом случае все ее элементы представляются в виде
приемных позиций, разнесенных в пространстве (рис. 1.7). Позиции, в которых
располагаются элементы многопозиционной РЛС, могут быть неподвижными
(стационарными) и подвижными, т. е. располагаться на подвижных носителях
или, как пишут в англоязычной литературе, на платформах.
В случае, когда в состав многопозиционной РЛС входят только два элемента
(позиции), ее называют двухпозиционной. Если при этом позиции, в которых
расположены элементы РЛС, являются стационарными, то такую двухпозици-
онную РЛС часто называют бистатической.
Многопозиционная РЛС может быть образована и из совокупности при-
емо-передающих элементов, располагаемых в каждой из разнесенных позиций
(рис. 1.8), либо из совокупности разнесенных в пространстве отдельных РЛС
(рис. 1.9).
Цель
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
передающая
позиция
Рис. 1.5. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности передающих и приемных позиций
22 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.7. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных позиций
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.6. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных и одной передающей позиций
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 23
Цель РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
Рис. 1.9. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности радиолокационных станций
Цель
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
Рис. 1.8. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемо-передающих позиций
24 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы различных клас-
сов могут быть построены как на однопозиционных, так и мно-
гопозиционных принципах.
Спасибо, уважаемый профессор! Теперь я понял, что такое РЛС и ка-
кие задачи она решает. Однако хотелось бы понять, существуют ли
различия в работе РЛС, относящихся к одному классу?
1.2. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Если говорить коротко, ответ положительный — да, существуют.
Но для того, чтобы понять, в чем это различие, необходимо рас-
смотреть, что собой представляет радиолокационный сигнал.
Первоначально рассмотрим зондирующий сигнал. В самом
простейшем виде его можно представить, как
s(t ) U(t )cos2 f t 0 , (1.1)
где U(t) — огибающая сигнала или, другими словами, функция, которая опи-
сывает изменение во времени амплитуды сигнала; 2f0t — фаза зондирующего
сигнала; f0 — несущая частота сигнала; t — текущее время.
В зависимости от того, как изменяется зондирующий сигнал во времени, он
может быть непрерывным или импульсным.
При импульсной форме зондирующего сигнала он представляется в виде
чередующихся во времени отрезков колебаний вида (1.1), которые называют им-
пульсами, разделенных пустыми отрезками (рис. 1.10). Форма импульсов может
быть различной. В частности, на рис. 1.10а представлен зондирующий сигнал
в виде последовательности из прямоугольных радиоимпульсов, а на рис. 1.10б —
в виде последовательности радиоимпульсов с колоколообразной огибающей.
Расстояние по оси времени между началом одного импульса до начала после-
дующего называют периодом следования импульсов и обозначают как ТИ. Про-
тяженность же по оси времени отдельного импульса называют длительностью
импульса и обозначают как tИ. Отношение периода следования импульсов ТИ
к их длительности tИ называют скважностью импульсов, которая показывает,
сколько целых импульсов заданной длительности укладывается во временной
интервал, равный их периоду следования. Кроме этого, каждый импульс, так
же как и сигнал вида (1.1), описывается такими параметрами, как огибающая,
фаза и несущая частота. Причем, как правило, такие параметры, как огибающая
1.2. Отличительные особенности функционирования радиолокационных систем 25
и несущая частота, являются одинаковыми для каждого импульса зондирую-
щего сигнала. На рис. 1.11 представлены огибающие отдельных импульсов, об-
разующих зондирующий сигнал, в виде прямоугольной последовательности
радиоимпульсов (рис. 1.11а) и последовательности радиоимпульсов с колоколо-
образной огибающей (рис. 1.11б). Кроме того, на рисунках показаны пиковые
(максимальные) значения А0 амплитуд отдельных импульсов, входящих в по-
следовательность зондирующих сигналов.
U(t) U(t)
a б
A0
A0
tИ
tИ t t
Рис. 1.11. Огибающие радиоимпульсов: прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) форм
s(t)
s(t)
ТИ
a
б
A0
tИ
ТИ
t
A0
tИ
Рис. 1.10. Последовательности радиоимпульсов с прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) огибающими
26 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
При непрерывной форме зондирующего сигнала он представляет собой ко-
лебание, которое по оси времени меняется непрерывно. Процесс изменения его
во времени ограничивается только временем работы передатчика РЛС. Данный
сигнал можно описать выражением (1.1), полагая, что временной интервал из-
менения данного сигнала стремится к бесконечности.
В свою очередь, РЛС, которая использует импульсные зондирующие сиг-
налы, называется импульсной РЛС или РЛС, работающей в импульсном режиме
излучения. РЛС, использующая непрерывные зондирующие сигналы, называ-
ется непрерывной РЛС или РЛС, работающей в непрерывном режиме излучения.
На практике наибольшее распространение получили РЛС, работающие в им-
пульсном режиме излучения.
Сигнал, который поступает на вход РЛС (радиолокационный сигнал), от-
личается от излученного (зондирующего), в первую очередь, своей амплитудой
и временем его появления относительно момента излучения сигнала s(t). Раз-
ность данных времен обычно называют временем запаздывания радиолокаци-
онного сигнала и обозначают как tд. Учитывая данные замечания, сигнал, дей-
ствующий на входе приемника РЛС, можно записать как
s(t ) U(t t )cos f (t t ) д д 2 0 , (1.2)
где — коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды принимаемо-
го сигнала по сравнению с излученным за время распространения радиоволн
от РЛС к цели и обратно.
Как видно из (1.2), информацию о цели несет в себе как огибающая сигна-
ла, так и его фаза. В зависимости от того, используется или нет при обработке
принимаемого сигнала информация об изменении его фазы, все современные
РЛС делятся на две большие группы — когерентные и некогерентные. В коге-
рентных РЛС при обработке радиолокационного сигнала используется инфор-
мация, содержащаяся как в фазе сигнала, так и в его огибающей. В РЛС, кото-
рые относятся к некогерентному типу, обработка радиолокационного сигнала
ведется без учета изменения его фазы. В этой связи в рамках одного класса РЛС
могут быть построены как по когерентному, так и некогерентному принципам.
В частности, при использовании импульсных РЛС на практике находят приме-
нение радиолокаторы, работающие с некогерентными и когерентными после-
довательностями радиоимпульсов и решающие одинаковые задачи.
Необходимо заметить, что когерентные РЛС по отношению к некогерент-
ным обладают большими информационными возможностями, поскольку ис-
пользуют всю информацию о цели, заключенную в радиолокационном сигнале.
Однако к данным РЛС предъявляют более жесткие требования по стабильности
работы ее приемо-передающих элементов, чем это имеет место при построении
РЛС некогерентного типа.
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 27
Из вышесказанного следует, что радиолокационные системы
одного класса могут быть как когерентными, так и некогерент-
ными. Когерентные РЛС обладают перед некогерентными пре-
имуществами по объему извлекаемой информации из прини-
маемого сигнала от цели, однако уступают некогерентным РЛС
по сложности построения.
Уважаемый профессор! Из Вашего объяснения следует, что сущест-
вуют различные типы радиолокационных систем. В то же время хоте-
лось понять, какие типовые элементы должны присутствовать в РЛС
любого типа и какие функции на них возлагаются?
1.3. Òèïîâàÿ ñòðóêòóðà ðàäèîëîêàöèîííîé ñèñòåìû
Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит
от назначения системы и задач, решение которых возлагается
на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную
структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого ра-
диолокатора. Структурная схема такой гипотетической РЛС представлена
на рис. 1.12 и относится к радиолокатору, в основу работы которого положен ак-
тивный метод радиолокации при импульсном режиме излучения. На данной
структурной схеме представлены шесть основных элементов типовой РЛС, ко-
торые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, — пере-
датчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переклю-
чатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.
Передатчик или передающий тракт РЛС обеспечивает формирование зон-
дирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и пере-
дачу в антенную систему (антенну).
Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу (режим из-
лучения зондирующего сигнала), так и на прием (режим приема сигнала, отра-
женного от цели).
В режиме передачи антенна обеспечивает преобразование зондирующего
радиосигнала, поступившего от ПРД, в радиоволну и излучение зондирующего
колебания в направлении на цель.
В режиме приема антенна обеспечивает преобразование отраженной от цели
радиоволны в радиосигнал с последующей передачей его в приемник.
Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечи-
вается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами
системы управления и синхронизации.
28 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого
сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до не-
обходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора.
Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты
принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обра-
ботки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию (выделение) полез-
ного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые дей-
ствуют одновременно с полезным сигналом.
После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает
в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого
сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представ-
ляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компью-
теру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще
называют цифровой системой обработки.
На рис. 1.12 операции, выполняемые системой обработки для решения кон-
кретной задачи радиолокационного приема, условно объединены в канал, что-
бы подчеркнуть тот факт, что данную операцию можно выполнить отдельным,
Канал обнаружения
Канал измерения
дальности
Канал измерения
скорости
Канал измерения
угловых координат
Канал распознавания
Канал формирования
радиолокационного
изображения
АНТ АП ПРД
ПРМ
Система
управления и
синхронизации
Система обработки
да
нет
Д
V
г
в
тип
класс
РЛИ
Рис. 1.12. Структурная схема гипотетической РЛС
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 29
конструктивно исполненным устройством. Как видно из схемы на рис. 1.12,
в составе системы обработки имеются шесть каналов — обнаружения, измере-
ния дальности, измерения скорости, измерения угловых координат, распозна-
вания и формирования радиолокационного изображения (РЛИ).
В цифровой системе обработки каждый канал реализуется с помощью спе-
циально разработанной совокупности алгоритмов, конкретное содержание
которых отражает специфику радиолокатора. Вся совокупность алгоритмов,
закладываемая в цифровую систему обработки, называется программным
обеспечением.
Каждый из представленных на схеме рис. 1.12 каналов системы обработки
обеспечивает решение задач, соответствующих своему наименованию. Так, ка-
нал обнаружения обеспечивает установление факта наличия цели (целей) в зоне
ответственности РЛС. Каналы измерения дальности, скорости и угловых коор-
динат обеспечивают определение дальности Д, скорости V и угловых координат
г, в обнаруженных целей в горизонтальной (в плоскости азимута) и вертикаль-
ной (в плоскости угла места) плоскостях соответственно. Канал распознавания
служит для выявления классов и типов наблюдаемых объектов. Канал форми-
рования радиолокационного изображения служит для получения РЛИ земной
поверхности, которое представляет собой двумерную плоскую картину, чаще
всего в координатах «дальность — азимут», распределения интенсивности от-
раженного сигнала от объектов на поверхности Земли и самой земной поверх-
ности в пределах участка поверхности Земли, облучаемой РЛС.
Каждая их рассмотренных групп алгоритмов (каналов) функционирует
в тесной взаимосвязи друг с другом. В частности, установление факта наличия
в зоне ответственности РЛС цели важно, но бессмысленно без определения ее
местоположения в пространстве. А данную информацию можно получить толь-
ко в том случае, если будут известны такие параметры цели, как дальность до нее
и ее угловые координаты. В то же время необходимо отметить, что количество
каналов зависит от предназначения РЛС. Ряд из них может отсутствовать, на-
пример, каналы распознавания и формирования РЛИ, если на РЛС данные за-
дачи не возлагаются.
Конечно же, в реально существующей РЛС количество выполняемых опе-
раций и соответствующее им число каналов больше, чем рассмотрено в схеме
на рис. 1.12. Однако мы сейчас говорим об общих принципах построения РЛС
и не ставим перед собой задачу подробно рассказать обо всех особенностях, свя-
занных с функционированием радиолокатора.
Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систе-
му обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радио-
локационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки
определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим
30 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать техни-
ческие системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом.
Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искус-
ственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.
Управление рассмотренными элементами РЛС осуществляется системой
управления и синхронизации. Данная система является своеобразным диспет-
чером, который обеспечивает:
своевременное переключение каналов пе • редачи и приема сигналов для
формирования зондирующих колебаний в направлении на цель и обес-
печения приема отраженных от нее сигналов;
• синхронную работу (синхронизацию) во времени всех элементов РЛС
путем формирования специальных синхронизирующих сигналов и вы-
деления необходимых временных интервалов на выполнение той или
иной процедуры в ходе формирования зондирующих сигналов и обра-
ботки отраженных сигналов от цели;
• формирование специальных сигналов и опорных колебаний для обеспе-
чения работы передающих и приемных каналов РЛС;
• управление системой обработки в целях своевременного включения
в работу каналов (алгоритмов), обеспечивающих решение задач обнару-
жения и измерения координат и параметров движения целей, распозна-
вания целей, а также формирования РЛИ;
• управление параметрами режимов излучения и приема РЛС
Уважаемый читатель, в Ваших руках находится научно-популярная книга «Ра-
диолокация для всех», с которой после ее первого издания успела познакомить-
ся довольно широкая аудитория. Данная книга ориентирована в первую очередь
на людей, которых интересуют научные знания как таковые, а также на молодое
поколение читателей, делающих свои первые профессиональные шаги. Автор-
ский коллектив книги в доступной форме («просто о сложном») изложил совре-
менные знания о радиолокации, в которые вошли:
теоретические основы радиолокации, по • зволяющие понять, как можно
получить информацию о координатах и параметрах движения наблюда-
емых объектов и определить их пространственное положение;
• принципы построения радиолокационных систем, показывающие, как
формируются и обрабатываются радиолокационные сигналы для того,
чтобы извлечь информацию о наблюдаемых объектах;
• конкретные типы радиолокационных систем, которые применяются
при решении как народно-хозяйственных задач, так и задач в военной
сфере.
Во вторую редакцию книги включены две новые главы. Одна из них посвя-
щена соединению двух областей знаний – радиолокации и фотоники. В данной
главе демонстрируется перспективное направление развития радиолокации,
в рамках которого использование положительных свойств фотоники позволяет
получить информационную систему совершенно нового уровня, обеспечиваю-
щую решение задач радиовидения.
Не менее интересна глава, посвященная истории возникновения и разви-
тия радиолокации. При этом исторические материалы рассматриваются приме-
нительно не только по отношению к нашей стране, но и к зарубежным странам.
Изложенный материал позволяет увидеть, как делались первые шаги в области
радиолокации, и узнать об основных этапах ее развития.
Надеемся, что новая редакция научно-популярной книги будет интересна
широкому кругу читателей. Ждем Ваших замечаний и предложений, направ-
ленных на улучшение содержания и качества книги.
С уважением,
член-корреспондент РАН,
доктор технических наук,
профессор В. Верба
Ââåäåíèå
Данная книга посвящена сравнительно молодой и интересной отрасли на-
уки и техники — радиолокации. Первые упоминания о возможности использо-
вания радиоволн для обнаружения различных объектов относятся к концу 90-х
годов XIX столетия. Однако серьезные исследования в данной области, направ-
ленные на создание практических радиолокационных устройств, начались су-
щественно позже — в конце 20-х — начале 30-х годов XX столетия.
Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была на-
целена на решение военных задач — обнаружение объектов противника (целей),
измерение их координат и параметров движения для последующего своевре-
менного уничтожения данных объектов.
Однако в современных условиях без помощи радиолокации человек не мо-
жет, обходиться в своей повседневной жизни. Только помощь радиолокации,
может не столь очевидна для окружающих, как помощь, например, мобильной
связи или спутниковой навигации, поэтому о ней говорят, главным образом,
только специалисты.
Никто из тех, кто хоть раз летал самолетом в командировку или на отдых,
не задумывался, что обеспечение безопасности полета самолета в существен-
ной степени зависит от работы наземных радиолокационных систем, которые
контролируют его движение на трассе, при подходе к аэропорту, в районе аэро-
порта, при посадке самолета и его движении по летному полю.
Прогноз погоды и предупреждение об опасных метеорологических явлени-
ях, например таких, как смерчи, также не обходятся, а в ряде случаев и невоз-
можны без радиолокации. Единственным средством, которое может предупре-
дить экипаж воздушного лайнера о встрече с таким опасным метеообъектом,
как грозовое облако, является бортовой радиолокатор самолета.
Системы радиолокации являются незаменимыми помощниками человека
при наблюдении им окружающей его воздушной, наземной или морской обста-
новок в условиях, когда отсутствует оптическая видимость, — в условиях силь-
ной облачности, тумана, задымленности, в ночное время суток.
Спектр использования систем радиолокации в повседневной деятельности
человека достаточно широк. Это и медицина, и транспорт, и сельское хозяй-
ство, и военное дело. Сфера применения радиолокации этими областями не ог-
раничивается. Возможности ее использования достаточно широки.
В то же время, для понимания сути такой интересной и сложной области
науки и техники, как радиолокация, требуется достаточно большой объем зна-
ний, которые закладываются еще в средней школе и затем наращиваются при
обучении в высших технических учебных заведениях. Обычно дисциплины
по радиолокации в технических вузах студенты начинают изучать на последних
10 Введение
курсах, после освоения базовых дисциплин радиоинженера. Вот только некото-
рые из них: математический анализ, дифференциальное и интегральное исчис-
ление, теория вероятностей и математическая статистика, курс физики, радио-
технические цепи и сигналы, статистическая радиотехника, электродинамика
и распространение радиоволн. Это зачастую отпугивает молодых людей от ос-
воения радиолокации. В этой связи авторы попытались рассказать о радиоло-
кации простым языком, без излишнего насыщения материала математически-
ми формулами. Для понимания материала, представленного в книге, читателю
достаточно знаний по математике и физике, полученных в рамках программы
средней школы. Однако при этом в книге рассмотрены как физические, так
и теоретические основы радиолокации. Показаны традиционные области при-
менения радиолокационных систем. Обращается внимание на перспективные
направления применения радиолокации.
Изложение материала в книге ведется в форме беседы. Одним ее участни-
ком является специалист в области радиолокации — профессор кафедры ра-
диолокации, другим — студент, не знакомый с радиотехникой и ее областью
радиолокацией. Студент задает вопросы, а профессор на них отвечает.
Построение книги выполнено таким образом, что каждая глава может рас-
сматриваться как самостоятельная единица. Поэтому отдельно взятую гла-
ву можно читать, не опираясь на материал, рассматриваемый в других главах
книги. Каждая глава в книге завершается списком литературы, в котором ука-
зываются источники, позволяющие читателю при его желании более детально
изучить материал, рассмотренный в текущей главе.
Книга ориентирована, в первую очередь, на выпускников школ и студен-
тов первых курсов технических вузов, которые еще ищут себя в избранной про-
фессии. В то же время она может служить подспорьем и для студентов старших
курсов радиотехнических факультетов, обучающихся по специальности «Ра-
диоэлектронные системы и комплексы». Кроме того, книга будет полезна и тем,
кто проявляет интерес к получению новых знаний. Надеемся, что книга мо-
жет заинтересовать и тех, кто далек как от радиолокации, так и радиотехники
в целом.
Книга подготовлена коллективом авторов — членом-корреспондентом
РАН, доктором технических наук, профессором В. С. Вербой (руководитель ав-
торского коллектива и редактор материалов глав книги), докторами техниче-
ских наук, профессорами А. Р. Ильчуком, Б. Г. Татарским, доктором техниче-
ских наук К. Ю. Гавриловым и кандидатом технических наук А. А. Филатовым,
которые имеют богатый практический опыт преподавательской деятельности
в ведущих технических вузах страны и научно-исследовательской и опытно-
конструкторской работы на предприятиях, занятых разработкой перспектив-
ных радиолокационных комплексов и систем.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß
Î ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор! В средствах массовой информации час-
то упоминаются такие слова, как «радиолокационные системы»,
«радиолокационные комплексы». Не могли бы Вы пояснить, что это
за системы и, в первую очередь, что такое радиолокация?
1.1. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ðàäèîëîêàöèè è òèïû
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Начну с Вашего последнего вопроса. Термин «радиолокация» про-
исходит от двух латинских слов: «radiare», которое означает «излу-
чать», и «locatio» — «размещение, расположение». Сложение этих двух
слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается опреде-
лением местоположения различных объектов по излученным от них сигналам.
Это самое общее толкование слова «радиолокация». Более точной формулиров-
кой будет следующая. Под радиолокацией понимают область радиоэлектрони-
ки, которая занимается разработкой методов и технических устройств (систем),
предназначенных для обнаружения и определения координат и параметров
движения различных объектов с помощью радиоволн. С помощью радиолока-
ции обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением
воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения)
различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и мор ским
движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности дви-
жения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явле-
ний, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое
время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принци-
пах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма че-
ловека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк,
несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.
Первые упоминания о возможности использования радиоволн для обнаруже-
ния различных объектов относятся ко второй половине 90-х годов XIX столе-
тия. В частности, годом рождения радиолокации в России считается 1897-й,
12 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
когда изобретатель радио Александр Степанович Попов, проводя свои экспери-
менты в открытом море по установлению связи с помощью беспроводного теле-
графа, обнаружил эффект отражения радиоволн. Было это так.
Летом 1897 года под руководством А. С. Попова в Финском заливе прово-
дились испытания радиоаппаратуры, изобретенного им беспроволочного те-
леграфа. В испытаниях принимали участие два морских судна — транспорт
«Европа» и крейсер «Азия». На данных судах были установлены приемная и пе-
редающая аппаратура, и между ними поддерживалась непрерывная радиосвязь.
Неожиданно между кораблями прошел линейный крейсер «Лейтенант Ильин».
Связь между кораблями прервалась. Через некоторое время, когда «Лейтенант
Ильин» прошел линию, соединяющую корабли, связь возобновилась. Это «за-
тенение» было замечено испытателями, и в отчете А. С. Попова по результатам
экспериментов было отмечено, что появление каких-либо препятствий между
передающей и приемной позициями может быть обнаружено как ночью, так
и в тумане. Так родилась радиолокация.
Таким образом, радиолокация — это область радиотехники, ко-
торая занимается разработкой методов и систем, предназна-
ченных для обнаружения различных объектов и измерения их
координат и параметров движения с помощью радиоволн.
Для того чтобы были понятны последующие мои объяснения, рассмотрим
основные термины и определения, которые используются в радиолокации.
Процесс просмотра заданной области пространства в целях получения ин-
формации о наличии в ней различных объектов и определения их параметров
с помощью радиоволн называют радиолокационным наблюдением. Объекты же
радиолокационного наблюдения называют радиолокационными целями или
просто целями. Примерами радиолокационных целей могут служить: корабли,
самолеты, танки, автомашины, люди, птицы и т. д.
Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например
обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью
одноименных радиолокационных устройств — радиолокационного обнаружите-
ля или радиолокационного измерителя дальности (радиолокационного даль-
номера) соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, пред-
назначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения
перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется
радиолокационной системой (РЛС) или радиолокатором. Техническая реализа-
ция такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англо-
язычной литературе — радаром.
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 13
Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный
сигнал, который может быть сформирован либо путем отражения (вторичного
излучения) электромагнитных колебаний (ЭМК) от цели, либо переизлучения
(ретрансляции) данных колебаний целью, либо излучения колебаний самой
целью. Электромагнитные колебания, которые используют для облучения цели
или заданной области пространства, обычно называют зондирующими колебани-
ями или зондирующим сигналом.
Операции, выполняемые в ходе радиолокационного наблюдения над при-
нимаемыми радиолокационными сигналами для извлечения информации о це-
лях, называют обработкой радиолокационных сигналов. Обработка является
составной частью процесса радиолокационного приема, который, помимо выше-
названной процедуры, включает также процедуры преобразования радиолока-
ционного сигнала, не связанные с извлечением информации о цели.
В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала раз-
личают следующие типы РЛС или методы радиолокации.
1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения.
При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излу-
чается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодей-
ствия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который
поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устрой-
стве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели (рис. 1.1). Данный
метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение
в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного
метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС
находятся в одной точке пространства.
2. Активные РЛС с активным ответом, или активный метод радиолокации
с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формиру-
ется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий
сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате от-
ражения излучаемых ЭМК целью, а за счет переизлучения их с помощью
РЛС
Цель
Излученный сигнал
Отраженный сигнал
Рис. 1.1. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
14 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором (рис. 1.2).
Данный метод широко используется в системах определения государственной
принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением
(УВД), а также в радионавигационных системах, например в радиотехниче-
ских системах ближней навигации при определении дальности до радиомаяка
(устройство, излучающее радиосигналы, местоположение которого известно
наблюдателю).
3. Полуактивный метод радиолокации, или полуактивные РЛС. При исполь-
зовании данного метода радиолокационный сигнал формируется, как при ак-
тивном методе путем отражения зондирующих ЭМК от цели. Но передающее
устройство, формирующее зондирующие ЭМК (передатчик (ПРД) РЛС), и ус-
тройство, принимающее отраженные сигналы (приемник (ПРМ) РЛС), разне-
сены в пространстве (рис. 1.3). Данный метод, например, широко использует-
ся при наведении управляемых ракет класса «воздух — воздух» на поражаемые
воздушные цели, а также в многопозиционных РЛС, под которыми обычно
понимают совокупность разнесенных в пространстве нескольких устройств
РЛС
Цель
Переизлученный сигнал
Ретранслятор
Излученный сигнал
Рис. 1.2. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
с активным ответом
Излученный сигнал
ПРД
Цель
Отраженный сигнал
ПРМ
Рис. 1.3. Графическая иллюстрация принципа полуактивной радиолокации
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 15
формирования зондирующих сигналов (передатчиков) и устройств приема от-
раженных сигналов (приемников).
4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблю-
дения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной
особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного
устройства (приемника (ПРМ)), состоящего из приемной антенны и собственно
приемника (рис. 1.4). Отсутствие необходимости формирования зондирующе-
го колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС
широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника,
например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей
стороны.
Собственное
излучение цели
Цель
ПРМ
Рис. 1.4. Графическая иллюстрация принципа пассивной радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы могут быть ак-
тивными, полуактивными, активными с активным ответом
и пассивными.
В ходе радиолокационного приема поступивших на вход ПРМ РЛС элект-
ромагнитных колебаний от цели, как правило, необходимо решить следующие
задачи:
1) обнаружить цель, т. е. установить факт наличия полезного сигнала s(t),
отраженного от цели, в принимаемом колебании у(t). Прием данного колеба-
ния у(t), как правило, сопровождается различного рода помехами n(t), природа
происхождения которых может быть самой разнообразной (внутренний шум
приемника РЛС, отражения от облака пассивных отражателей, искусственно
организованные помехи и т. п.). Помехи относятся к категории так называе-
мых случайных сигналов, предсказать изменение которых во времени заранее
невозможно. В этой связи при действии помех заранее неизвестно, есть ли по-
лезный сигнал, например отраженный от цели, в принятом приемником РЛС
16 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
колебании. При отсутствии помех любой сигнал, который появляется на входе
приемника РЛС, будет восприниматься как полезный. В этой связи при реше-
нии задачи обнаружения, как, впрочем, и всех перечисленных выше, использу-
ется специальный математический аппарат, основанный на теории вероятнос-
тей и математической статистике;
2) разрешить радиолокационные цели, т. е. раздельно обнаружить несколь-
ко одновременно существующих в принимаемом колебании у(t) отраженных
от целей сигналов с близкими, но различающимися параметрами, или изме-
рить значения параметров данных сигналов.
Разрешение имеет смысл при наличии нескольких целей в зоне наблюдения
РЛС; 3) измерить значения параметров полезного сигнала s(t, ) в целях получе-
ния информации о координатах и параметрах движения целей. Такими пара-
метрами чаще всего являются время запаздывания tд, доплеровское смещение
частоты fдп и направление прихода принимаемой электромагнитной волны
(ЭМВ), по которому оцениваются угловые координаты наблюдаемой цели.
Дополнительными задачами радиолокационного наблюдения являют-
ся различение и распознавание целей. Если решение первой задачи позволяет
определить один из классов целей (воздушные, морские или наземные цели),
то решение второй позволяет определить тип цели в заданном классе (самолет,
вертолет и т. д.). Решение данных задач основывается на анализе всего объема
информации, который содержится в радиолокационном сигнале. Эффективное
решение указанных задач возможно при использовании всех характеристик,
описывающих принимаемые радиолокационные сигналы, — временных, про-
странственных и поляризационных.
Все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.
В первую группу входят РЛС класса «воздух — воздух», основной задачей кото-
рых является обнаружение, измерение координат и параметров движения воз-
душных целей. К данным РЛС относятся, например, радиолокационные стан-
ции перехвата и прицеливания, устанавливаемые на самолетах-истребителях
(фото 1.1), либо авиационные РЛС дальнего радиолокационного обнаружения
воздушных целей (фото 1.2).
Вторую группу составляют РЛС класса «воздух — поверхность». Данные РЛС
служат для получения радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверх-
ности либо информации о координатах и параметрах движения наземных целей.
К данным системам относятся, например, РЛС обзора Земли (фото 1.3), которые
обеспечивают получение радиолокационного изображения поверхности Зем-
ли и информации о координатах и параметрах движения наземных целей, либо
РЛС обеспечения безопасности полетов на малых и предельно малых высотах,
которые позволяют получать информацию о структуре рельефа подстилающей
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 17
Фото 1.2. Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения
Фото 1.1. РЛС перехвата и прицеливания самолета-истребителя
Фото 1.3. РЛС обзора Земли
18 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
поверхности Земли. В эту группу входят также и РЛС, обеспечивающие радиоло-
кационную разведку наземных объектов и наблюдение малоразмерных наземных
целей.
В третью группу входят РЛС класса «поверхность — воздух», основной задачей
которых, как и радиолокаторов первой группы, является обнаружение, измере-
ние координат и параметров движения воздушных целей. Однако местом уста-
новки таких систем являются либо поверхность Земли, либо объекты наземной
и морской техники (подвижные или стационарные). Типичным представителем
таких систем являются РЛС обнаружения, входящие в системы управления воз-
душным движением (УВД) (фото 1.4) или противовоздушной обороны (ПВО)
страны, а также РЛС, призванные для наблюдения за метеорологической обста-
новкой (фото 1.5).
Четвертую группу составляют РЛС класса «поверхность — поверхность», ос-
новной задачей которых является обнаружение, измерение координат и пара-
метров движения наземных целей либо воздушных объектов при перемещении
последних по поверхности Земли. Типичным представителем таких систем яв-
ляются, например, РЛС обзора летного поля (фото 1.6), которые входят в систе-
мы управления движением самолетов при рулении их по летному полю (взлет-
но-посадочным полосам (ВПП) и рулежным дорожкам).
Из приведенных примеров РЛС заявленных классов следует, что на первом
месте в названии класса стоит слово, обозначающее место установки радиоло-
катора, а на втором — слово, определяющее объект, по которому работает РЛС.
В частности, например, если речь идет о классе РЛС «поверхность — воздух», то
это значит, что РЛС находится на земной поверхности, а объектами ее наблюде-
ния являются воздушные цели.
Фото 1.4. «Лира Т» — обзорный трассовый радиолокатор
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 19
Кроме отмеченных, существует еще одна группа РЛС, которые строятся
по многофункциональному принципу и объединяют в себе решение задач, напри-
мер, возлагаемых как на радиолокационные системы класса «воздух — воздух»,
так и на системы класса «воздух — поверхность». Другими словами, данные РЛС
объединяют в себе функции радиолокаторов различных классов. Такими, на-
пример, являются бортовые РЛС, устанавливаемые на современные самолеты-
истребители (тактические истребители) (фото 1.7).
Фото 1.6. Радиолокатор обзора летного поля «Атлантика Э3»
Фото 1.5. Метеорологический радиолокатор (метеорадиолокатор) МРЛ -5Б
20 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше
разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые стро-
ятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы
не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния ор-
ганизма человека, либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо
наблюдения космических объектов и т. п. Но в целом приведенная класси-
фикация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному
предназначению.
В ряде случаев в состав бортовых систем технического средства (носителя)
входят несколько РЛС, которые решают одну общую задачу. В этом случае сово-
купность РЛС образует радиолокационный комплекс. Иногда под радиолокацион-
ным комплексом понимают совокупность из РЛС и других технических систем
или устройств, которые обеспечивают решение задачи, возлагаемой на РЛС.
В частности, такой совокупностью может быть РЛС и вычислительная система,
обеспечивающая процесс обработки радиолокационного сигнала.
Таким образом, радиолокационные системы делятся на пять
больших классов: РЛС класса «воздух — воздух», РЛС класса
«воздух — поверхность», РЛС класса «поверхность — воздух»,
РЛС класса «поверхность — поверхность» и многофункциональ-
ные РЛС.
По месту установки РЛС и ее составных частей различают однопозиционные
и многопозиционные РЛС. Под однопозиционными понимают РЛС, передатчик
Фото 1.7. Многофункциональная РЛС «Копье-21»
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 21
и приемник которых располагаются в одной точке пространства. Если данное
условие не выполняется, то РЛС относят к разряду многопозиционных. При по-
строении РЛС по многопозиционному принципу количество передающих
и приемных позиций может быть разным (рис. 1.5). Однако если принцип дейс-
твия многопозиционной РЛС основан на активном методе радиолокации, то
в составе данной системы должна быть как минимум одна передающая позиция
(рис. 1.6). Если в основу работы многопозиционной РЛС положен пассивный
метод радиолокации, то в этом случае все ее элементы представляются в виде
приемных позиций, разнесенных в пространстве (рис. 1.7). Позиции, в которых
располагаются элементы многопозиционной РЛС, могут быть неподвижными
(стационарными) и подвижными, т. е. располагаться на подвижных носителях
или, как пишут в англоязычной литературе, на платформах.
В случае, когда в состав многопозиционной РЛС входят только два элемента
(позиции), ее называют двухпозиционной. Если при этом позиции, в которых
расположены элементы РЛС, являются стационарными, то такую двухпозици-
онную РЛС часто называют бистатической.
Многопозиционная РЛС может быть образована и из совокупности при-
емо-передающих элементов, располагаемых в каждой из разнесенных позиций
(рис. 1.8), либо из совокупности разнесенных в пространстве отдельных РЛС
(рис. 1.9).
Цель
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
передающая
позиция
Рис. 1.5. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности передающих и приемных позиций
22 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.7. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных позиций
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.6. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных и одной передающей позиций
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 23
Цель РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
Рис. 1.9. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности радиолокационных станций
Цель
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
Рис. 1.8. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемо-передающих позиций
24 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы различных клас-
сов могут быть построены как на однопозиционных, так и мно-
гопозиционных принципах.
Спасибо, уважаемый профессор! Теперь я понял, что такое РЛС и ка-
кие задачи она решает. Однако хотелось бы понять, существуют ли
различия в работе РЛС, относящихся к одному классу?
1.2. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Если говорить коротко, ответ положительный — да, существуют.
Но для того, чтобы понять, в чем это различие, необходимо рас-
смотреть, что собой представляет радиолокационный сигнал.
Первоначально рассмотрим зондирующий сигнал. В самом
простейшем виде его можно представить, как
s(t ) U(t )cos2 f t 0 , (1.1)
где U(t) — огибающая сигнала или, другими словами, функция, которая опи-
сывает изменение во времени амплитуды сигнала; 2f0t — фаза зондирующего
сигнала; f0 — несущая частота сигнала; t — текущее время.
В зависимости от того, как изменяется зондирующий сигнал во времени, он
может быть непрерывным или импульсным.
При импульсной форме зондирующего сигнала он представляется в виде
чередующихся во времени отрезков колебаний вида (1.1), которые называют им-
пульсами, разделенных пустыми отрезками (рис. 1.10). Форма импульсов может
быть различной. В частности, на рис. 1.10а представлен зондирующий сигнал
в виде последовательности из прямоугольных радиоимпульсов, а на рис. 1.10б —
в виде последовательности радиоимпульсов с колоколообразной огибающей.
Расстояние по оси времени между началом одного импульса до начала после-
дующего называют периодом следования импульсов и обозначают как ТИ. Про-
тяженность же по оси времени отдельного импульса называют длительностью
импульса и обозначают как tИ. Отношение периода следования импульсов ТИ
к их длительности tИ называют скважностью импульсов, которая показывает,
сколько целых импульсов заданной длительности укладывается во временной
интервал, равный их периоду следования. Кроме этого, каждый импульс, так
же как и сигнал вида (1.1), описывается такими параметрами, как огибающая,
фаза и несущая частота. Причем, как правило, такие параметры, как огибающая
1.2. Отличительные особенности функционирования радиолокационных систем 25
и несущая частота, являются одинаковыми для каждого импульса зондирую-
щего сигнала. На рис. 1.11 представлены огибающие отдельных импульсов, об-
разующих зондирующий сигнал, в виде прямоугольной последовательности
радиоимпульсов (рис. 1.11а) и последовательности радиоимпульсов с колоколо-
образной огибающей (рис. 1.11б). Кроме того, на рисунках показаны пиковые
(максимальные) значения А0 амплитуд отдельных импульсов, входящих в по-
следовательность зондирующих сигналов.
U(t) U(t)
a б
A0
A0
tИ
tИ t t
Рис. 1.11. Огибающие радиоимпульсов: прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) форм
s(t)
s(t)
ТИ
a
б
A0
tИ
ТИ
t
A0
tИ
Рис. 1.10. Последовательности радиоимпульсов с прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) огибающими
26 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
При непрерывной форме зондирующего сигнала он представляет собой ко-
лебание, которое по оси времени меняется непрерывно. Процесс изменения его
во времени ограничивается только временем работы передатчика РЛС. Данный
сигнал можно описать выражением (1.1), полагая, что временной интервал из-
менения данного сигнала стремится к бесконечности.
В свою очередь, РЛС, которая использует импульсные зондирующие сиг-
налы, называется импульсной РЛС или РЛС, работающей в импульсном режиме
излучения. РЛС, использующая непрерывные зондирующие сигналы, называ-
ется непрерывной РЛС или РЛС, работающей в непрерывном режиме излучения.
На практике наибольшее распространение получили РЛС, работающие в им-
пульсном режиме излучения.
Сигнал, который поступает на вход РЛС (радиолокационный сигнал), от-
личается от излученного (зондирующего), в первую очередь, своей амплитудой
и временем его появления относительно момента излучения сигнала s(t). Раз-
ность данных времен обычно называют временем запаздывания радиолокаци-
онного сигнала и обозначают как tд. Учитывая данные замечания, сигнал, дей-
ствующий на входе приемника РЛС, можно записать как
s(t ) U(t t )cos f (t t ) д д 2 0 , (1.2)
где — коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды принимаемо-
го сигнала по сравнению с излученным за время распространения радиоволн
от РЛС к цели и обратно.
Как видно из (1.2), информацию о цели несет в себе как огибающая сигна-
ла, так и его фаза. В зависимости от того, используется или нет при обработке
принимаемого сигнала информация об изменении его фазы, все современные
РЛС делятся на две большие группы — когерентные и некогерентные. В коге-
рентных РЛС при обработке радиолокационного сигнала используется инфор-
мация, содержащаяся как в фазе сигнала, так и в его огибающей. В РЛС, кото-
рые относятся к некогерентному типу, обработка радиолокационного сигнала
ведется без учета изменения его фазы. В этой связи в рамках одного класса РЛС
могут быть построены как по когерентному, так и некогерентному принципам.
В частности, при использовании импульсных РЛС на практике находят приме-
нение радиолокаторы, работающие с некогерентными и когерентными после-
довательностями радиоимпульсов и решающие одинаковые задачи.
Необходимо заметить, что когерентные РЛС по отношению к некогерент-
ным обладают большими информационными возможностями, поскольку ис-
пользуют всю информацию о цели, заключенную в радиолокационном сигнале.
Однако к данным РЛС предъявляют более жесткие требования по стабильности
работы ее приемо-передающих элементов, чем это имеет место при построении
РЛС некогерентного типа.
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 27
Из вышесказанного следует, что радиолокационные системы
одного класса могут быть как когерентными, так и некогерент-
ными. Когерентные РЛС обладают перед некогерентными пре-
имуществами по объему извлекаемой информации из прини-
маемого сигнала от цели, однако уступают некогерентным РЛС
по сложности построения.
Уважаемый профессор! Из Вашего объяснения следует, что сущест-
вуют различные типы радиолокационных систем. В то же время хоте-
лось понять, какие типовые элементы должны присутствовать в РЛС
любого типа и какие функции на них возлагаются?
1.3. Òèïîâàÿ ñòðóêòóðà ðàäèîëîêàöèîííîé ñèñòåìû
Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит
от назначения системы и задач, решение которых возлагается
на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную
структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого ра-
диолокатора. Структурная схема такой гипотетической РЛС представлена
на рис. 1.12 и относится к радиолокатору, в основу работы которого положен ак-
тивный метод радиолокации при импульсном режиме излучения. На данной
структурной схеме представлены шесть основных элементов типовой РЛС, ко-
торые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, — пере-
датчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переклю-
чатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.
Передатчик или передающий тракт РЛС обеспечивает формирование зон-
дирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и пере-
дачу в антенную систему (антенну).
Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу (режим из-
лучения зондирующего сигнала), так и на прием (режим приема сигнала, отра-
женного от цели).
В режиме передачи антенна обеспечивает преобразование зондирующего
радиосигнала, поступившего от ПРД, в радиоволну и излучение зондирующего
колебания в направлении на цель.
В режиме приема антенна обеспечивает преобразование отраженной от цели
радиоволны в радиосигнал с последующей передачей его в приемник.
Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечи-
вается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами
системы управления и синхронизации.
28 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого
сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до не-
обходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора.
Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты
принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обра-
ботки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию (выделение) полез-
ного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые дей-
ствуют одновременно с полезным сигналом.
После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает
в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого
сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представ-
ляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компью-
теру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще
называют цифровой системой обработки.
На рис. 1.12 операции, выполняемые системой обработки для решения кон-
кретной задачи радиолокационного приема, условно объединены в канал, что-
бы подчеркнуть тот факт, что данную операцию можно выполнить отдельным,
Канал обнаружения
Канал измерения
дальности
Канал измерения
скорости
Канал измерения
угловых координат
Канал распознавания
Канал формирования
радиолокационного
изображения
АНТ АП ПРД
ПРМ
Система
управления и
синхронизации
Система обработки
да
нет
Д
V
г
в
тип
класс
РЛИ
Рис. 1.12. Структурная схема гипотетической РЛС
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 29
конструктивно исполненным устройством. Как видно из схемы на рис. 1.12,
в составе системы обработки имеются шесть каналов — обнаружения, измере-
ния дальности, измерения скорости, измерения угловых координат, распозна-
вания и формирования радиолокационного изображения (РЛИ).
В цифровой системе обработки каждый канал реализуется с помощью спе-
циально разработанной совокупности алгоритмов, конкретное содержание
которых отражает специфику радиолокатора. Вся совокупность алгоритмов,
закладываемая в цифровую систему обработки, называется программным
обеспечением.
Каждый из представленных на схеме рис. 1.12 каналов системы обработки
обеспечивает решение задач, соответствующих своему наименованию. Так, ка-
нал обнаружения обеспечивает установление факта наличия цели (целей) в зоне
ответственности РЛС. Каналы измерения дальности, скорости и угловых коор-
динат обеспечивают определение дальности Д, скорости V и угловых координат
г, в обнаруженных целей в горизонтальной (в плоскости азимута) и вертикаль-
ной (в плоскости угла места) плоскостях соответственно. Канал распознавания
служит для выявления классов и типов наблюдаемых объектов. Канал форми-
рования радиолокационного изображения служит для получения РЛИ земной
поверхности, которое представляет собой двумерную плоскую картину, чаще
всего в координатах «дальность — азимут», распределения интенсивности от-
раженного сигнала от объектов на поверхности Земли и самой земной поверх-
ности в пределах участка поверхности Земли, облучаемой РЛС.
Каждая их рассмотренных групп алгоритмов (каналов) функционирует
в тесной взаимосвязи друг с другом. В частности, установление факта наличия
в зоне ответственности РЛС цели важно, но бессмысленно без определения ее
местоположения в пространстве. А данную информацию можно получить толь-
ко в том случае, если будут известны такие параметры цели, как дальность до нее
и ее угловые координаты. В то же время необходимо отметить, что количество
каналов зависит от предназначения РЛС. Ряд из них может отсутствовать, на-
пример, каналы распознавания и формирования РЛИ, если на РЛС данные за-
дачи не возлагаются.
Конечно же, в реально существующей РЛС количество выполняемых опе-
раций и соответствующее им число каналов больше, чем рассмотрено в схеме
на рис. 1.12. Однако мы сейчас говорим об общих принципах построения РЛС
и не ставим перед собой задачу подробно рассказать обо всех особенностях, свя-
занных с функционированием радиолокатора.
Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систе-
му обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радио-
локационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки
определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим
30 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать техни-
ческие системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом.
Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искус-
ственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.
Управление рассмотренными элементами РЛС осуществляется системой
управления и синхронизации. Данная система является своеобразным диспет-
чером, который обеспечивает:
своевременное переключение каналов пе • редачи и приема сигналов для
формирования зондирующих колебаний в направлении на цель и обес-
печения приема отраженных от нее сигналов;
• синхронную работу (синхронизацию) во времени всех элементов РЛС
путем формирования специальных синхронизирующих сигналов и вы-
деления необходимых временных интервалов на выполнение той или
иной процедуры в ходе формирования зондирующих сигналов и обра-
ботки отраженных сигналов от цели;
• формирование специальных сигналов и опорных колебаний для обеспе-
чения работы передающих и приемных каналов РЛС;
• управление системой обработки в целях своевременного включения
в работу каналов (алгоритмов), обеспечивающих решение задач обнару-
жения и измерения координат и параметров движения целей, распозна-
вания целей, а также формирования РЛИ;
• управление параметрами режимов излучения и приема РЛС