Принципы построения загоризонтных РЛС
ЗГ РЛС являются доплеровскими, т. е. используют для выделения полезных сигналов из помех доплеровское смещение частоты сигналов, отраженных движущимися целями. Станции, использующие принцип обратного рассеяния, вследствие значительных трудностей, связанных с обеспечением развязки между мощной передающей и высокочувствительной приемной системами, в большинстве случаев строят с разнесением на некоторое расстояние передающей и приемной систем (от десятков до одной-двух сотен километров). Рассмотрим принцип построения основных составных частей ЗГ РЛС.
Антенно-фидерные устройства. Специфические условия работы ЗГ РЛС, определяют основные требования, предъявляемые к АФУ.
Антенна должна иметь большой коэффициент усиления (20...30 дБ) перекрывать широкий диапазон частот (коэффициент перекрытия по частоте РЛС в целом составляет 5..6, обеспечивать быстрое сканирование в широком азимутальном секторе. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать излучение сигналов с большой мощностью (средняя мощность —несколько сотен киловатт).
Указанные требования определяют построение АФУ в виде фазированных решеток.
Для излучения сигналов значительной мощности в декаметровом диапазоне в зарубежных ЗГ РЛС используется несколько передающих устройств, работающих на элементарные излучатели, образующие передающую антенную решетку. Для обеспечения широкоугольного сканирования луча относительные фазы сигналов передатчиков должны изменяться во времени, для чего используется специальная система фазирования, связанная с датчиками, устанавливаемыми на входах элементарных излучателей.
Широкоугольный обзор пространства в азимутальной плоскости в приемных АФУ достигается путем использования специальных диаграммоформирующих схем (ДФС), подключаемых к элементарным излучателям приемной антенной решетки. При этом путем коммутации линий задержки различной длины, входящих в ДФС, можно обеспечивать сканирование луча, либо при введении в ДФС разветвленных схем фазирования формировать многолучевую (веерную) ДН. К выходам ДФС подключают приемные устройства.
К ДН, формируемым АФУ в угломестнойплоскости, предъявляют требования максимального прижатия их к горизонту, что определяется условиями распространения сигналов декаметрового диапазона. При использовании антенн горизонтальной поляризации требования прижатия к горизонту луча приводят к необходимости создания антенных сооружений значительной высоты. При использовании антенн с вертикальной поляризацией для прижатия луча к горизонту и уменьшения потерь в Земле осуществляют металлизацию предполья антенны. Металлизация представляет собой сетчатый (проволочный) экран, уложенный на Земле ,или, во избежание дополнительных потерь в снежном покрове, размещенный на расстоянии 1,5...2 м над поверхностью Земли.
Основным требованием к излучающим элементам, составляющим передающую антенную решетку, является постоянство входного сопротивления излучателя в диапазоне рабочих частот и в заданном секторе сканирования. Обеспечение этого требования с учетом взаимных связей излучателей в решетке представляет собой сложную инженерную задачу. В качестве элементарного излучателя в антенных решетках декаметрового диапазона часто используются шунтовые широкодиапазонные вибраторы.
В ряде зарубежных РЛС применяются также логопериодические антенны. При этом широко используются различные модификации логопериодических антенн: леерной и самонесущей конструкции, горизонтальной и вертикальной поляризации, с симметричным и несимметричным входом.
Передающая система. Она состоит из двух основных частей: комплекса передающей аппаратуры и антенной системы.
Основными требованиями к комплексу передающей аппаратуры ЗГ РЛС, работающих в декаметровом диапазоне, в соответствии со сказанным выше являются: большая ширина перекрываемого диапазона рабочих частот; высокий уровень мощности зондирующего сигнала; максимальная чистота спектрального состава при заданных видах модуляции формируемого в передающей аппаратуре зондирующего сигнала.
Если требуется одновременный обзор зоны 1000...4000 км на всю ее глубину, то необходимо, чтобы рабочая частота РЛС могла выбираться приблизительно в пределах ±25% от номинала рабочей частоты.
Сочетание разброса величин МПЧ относительно медианных значений с требованием глубины контролируемой зоны по дальности приводит к необходимости иметь полный диапазон частот перестройки станции с коэффициентом перекрытия по частоте, равным 2—3. Для РЛС с большой азимутальной шириной зоны контроля может потребоваться диапазон 4...32 МГц.
При распространении радиоволн в направлении объекта, подлежащего обнаружению, и при обратном распространении сигнала, рассеиваемого объектом в направлении приемной антенны, затухание радиоволн достигает весьма больших значений. Чтобы обеспечить достаточный для обработки уровень сигнала на входе приемной аппаратуры, уровень средней мощности излучаемого сигнала должен составлять от сотен киловатт до единиц мегаватт.
Требование излучения сигнала с такой высокой мощностью приводит к построению передающего комплекса, состоящего из многоканального усилителя и антенной системы в виде ФАР. При использовании такой схемы суммирование сигналов отдельных излучателей, соединенных с соответствующими каналами усилителя мощности, происходит в пространстве в дальней зоне относительно местоположения антенны. Благодаря этому эквивалентная мощность зондирующего сигнала дополнительно увеличивается пропорционально коэффициенту усиления антенны. Необходимость управления направленностью излучения для перекрытия заданного сектора обзора по азимуту привела к дополнительному требованию по созданию необходимого фазового распределения сигналов на излучателях в раскрыве антенного полотна и по обеспечению быстродействующего управления фазовым распределением для перекрытия заданного сектора обзора.
Требование чистоты спектрального состава зондирующего сигнала связано с тем, что обнаружение движущегося объекта на фоне пассивных помех осуществляется благодаря наличию у отраженного им сигнала доплеровскогосмещения частоты. Присутствие в спектре зондирующего сигнала «паразитных» шумовых и дискретных составляющих затрудняет выделение сигнала цели из пассивных помех, уровень которых, как правило, на несколько порядков превышает уровень полезного сигнала.
В качестве зондирующих сигналов используют непрерывные и импульсные сигналы, а также сигналы с ЧМ. или с различным видом кодирования. Длительности импульсов ЗГ РЛС находятся в пределах от сотни микросекунд до единиц миллисекунд, частоты повторения — единицы и десятки герц. Для когерентной, обработки принимаемого сигнала и выделения доплеровских составляющих спектра в этих РЛС формируются зондирующие сигналы, имеющие высокую точность и стабильность рабочей (несущей) частоты.
Передающий комплекс. Комплекс передающей аппаратуры должен состоять из элементов, обеспечивающих выполнение указанных выше функциональных задач. В передающем комплексе информация о параметрах модуляции сигнала, о выбранной рабочей частоте и о требуемом фазовом распределении сигналов в каналах усиления мощности, поступающая от приемной системы, преобразуется в аппаратуре управления и передается в виде команд на соответствующие исполнительные элементы комплекса. От приемной системы поступают также сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы аппаратуры передающей и приемной систем. В исполнительных элементах комплекса производится формирование сигнала с заданной структурой и передача в соответствующие каналы усилителя мощности. В аппаратуре каждого канала усиления мощности производятся фазирование и усиление сигнала до необходимого уровня и передача его на вход фидерного тракта, соединяющего выход каждого канала с соответствующим излучателем антенного полотна.
В аппаратуре функционального контроля производятся оценка работоспособности элементов комплекса передающей аппаратуры и проверка соответствия параметров зондирующего сигнала заданным параметрам.
Система формирования зондирующего сигнала. В одной из возможных систем построения аппаратуры формирования сигнала все сигналы формируются из одного и того же основного опорного сигнала, получаемого от специального высокостабильного генератора. Требуемая структура зондирующего сигнала формируется на относительно низком уровне мощности.
Канал усиления мощности. Функциональными задачами аппаратуры каждого канала усиления мощности являются: задание сигналу необходимой фазы в соответствии с требуемым фазовым распределением в раскрыве ФАР; усиление сигнала до необходимого уровня при минимальных искажениях амплитудной и фазовой структур.
Каждый канал усиления мощности может быть охвачен цепью обратной связи, обеспечивающей автоматическое регулирование амплитуды и фазы. Система автоматического регулирования предназначена для компенсации фазовых и амплитудных флуктуации и обеспечения необходимой чистоты спектрального состава зондирующего сигнала.
Аппаратура управления и синхронизации. Эта аппаратура обеспечивает связь комплекса передающей аппаратуры с остальной аппаратурой станции и формирует необходимые управляющие сигналы в соответствии с установленной программой работы и информацией, поступающей от вычислительного комплекса. Управляющие сигналы формируются с учетом данных о работоспособности элементов комплекса, поступающих в аппаратуру управления от аппаратуры функционального контроля.
Аппаратура формирует также сигналы управления техническим состоянием элементов комплекса.
Аппаратура функционального контроля. Эта аппаратура обеспечивает получение информации о работоспособности элементов комплекса передающей аппаратуры и об основных параметрах излучения.
Приемная система. В одном из возможных вариантов построения приемной системы ЗГ РЛС в ее состав входят:
АФУ; приемные устройства трактов обнаружения, трактов определения оптимального поддиапазона рабочих частот и приемные устройства тракта выбора рабочего канала;
вычислительный комплекс, состоящий из спецвычислителей и универсальных ЭВМ и обеспечивающий решение задач первичной обработки сигналов, обнаружения, определения оптимального поддиапазона и выбора рабочего канала на основе использования информации, поступающей от приемных устройств соответствующих трактов;
аппаратура синхронизации, содержащая высокостабильный генератор сигнала опорной частоты и узел формирования сетки частот, необходимой для синхронизации и управления работой всей аппаратуры приемной позиции;
аппаратура управления работой РЛС и индикации, обеспечивающая отображениенеобходимой информации об обнаруживаемыхобъектах и о техническом состоянии всей аппаратуры станции;
аппаратура межпозиционной связи для обмена сигналами синхронизации и управления, а также информацией о техническом состоянии аппаратуры.
В последние годы благодаря значительным достижениям электронной техники стало возможным практическое внедрение техники цифровой обработки сигналов, обладающей рядом важных преимуществ по сравнению с аналоговой. Это позволяет достаточно широко вводить адаптивные системы обработки информации, что улучшает основные характеристики РЛС.
Тракт обнаружения. Этот тракт является основным в РЛС и обеспечивает обнаружение объекта, глубоко скрытого за линией горизонта. Структура тракта, алгоритмы обработки и аппаратурное построение определяются назначением и характеристиками станции. Однако в любом варианте можно выделить некоторые основные особенности, присущие трактам обнаружения ЗГ РЛС:
работа тракта обнаружения одновременно на нескольких рабочих частотах, что обеспечивает уменьшение потерь информации, связанных с довольно резкой в декаметровом диапазоне зависимостью затухания электромагнитной энергии в процессе распространения от частоты;
одновременный или квазиодновременный обзор зоны ответственности несколькими парциальными ДН, что приводит к многоканальности построения тракта обнаружения;
введение в каждый из каналов тракта обнаружения для подавления пассивных помех специальной аппаратуры пространственной и спектрально-временной компенсации.
Загоризонтные РЛС работают, как правило, со сложными зондирующими сигналами с линейно-частотной (ЛЧМ) или фазоквой модуляцией. Частота повторения при импульсном режиме работы определяется границей зоны ответственности по дальности. Ширина спектра зондирующего сигнала ограничена возможностями декаметрового диапазона, а также необходимостью снижения мешающего действия радиосредствам, работающим в соседних каналах, и имеет величину от сотен герц до десятков килогерц. В соответствии с такой шириной спектра разрешающая способность по дальности имеет величину не лучше нескольких километров.
В ЗГ РЛС обнаружение полезных сигналов ведется на фоне интенсивных резко нестационарных активных и пассивных помех. Для решения задачи обнаружения в таких условиях целесообразно применять адаптацию характеристик тракта к помеховой обстановке. В частности, необходимы пространственная адаптация, позволяющая минимизировать влияние радиосигналов, приходящих не с главного направления и принимаемых по боковым лепесткам ДН АФУ, и частотная адаптация, позволяющая путем отслеживания изменения спектральных характеристик пассивной помехи (доплеровского смещения спектральных линии и величины их уширения в процессе распространения) обеспечивать максимально возможное ее подавление.
Обычно теоретически оптимальные структуры оказываются чрезвычайно сложными и не могут быть реализованы из-за большого объема требуемой вычислительной аппаратуры. На практике, как правило, применяются квазиоптимальные схемы, в которых обработка разбивается на ряд последовательно выполняемых этапов. Это позволяет значительно упростить ее. Однако в результате упрощения неизбежно возникают потери в эффективности обработки и соответственно в возможностях обнаружения целей. Поэтому вопрос о разбиении обработки на этапы требует соблюдения необходимых предосторожностей и нахождения разумных компромиссов. Правильное решение вопроса зависит от условий работы станции и может быть различным для различных конкретных случаев.
Устройство пространственной обработки. Адаптивное формирование ДН приемной антенны в условиях наличия пространственно сосредоточенных источников помех является одним из важнейших средств увеличения отношения сигнал-помеха в тракте обнаружения. Суть пространственной обработки состоит в весовом суммировании сигналов, синхронно снимаемых, с приемных каналов различных элементов антенной системы. При этом сигнал yi на выходе устройства пространственной обработки, соответствующий приему с j-го азимутального направления, определяется скалярнымпроизведением векторов XиWj:
где п — номерприемного канала; X — вектор-столбец выборок, снимаемых с выходов приемных каналов в текущий момент времени; W — вектор-столбец межканальных весов; T—индекстранспонирования.
Вектор весовых коэффициентов Wjopt, максимизирующих отношение сигнал-помеха для сигналов, приходящих с j-го азимутального направления приема, в случае использования винеровского фильтра определяется соотношением
где r - межканальная ковариационная матрица выборок помехи, снимаемых с выходов приемных каналов в произвольный момент времени; — вектор, комплексно сопряженный с вектором коэффициентов усиления ДН приемных каналов в j-м азимутальном направлении приема.
Отметим, что при формировании адаптивной антенной решетки с числом элементов N операция обращения ковариационной матрицы R требует примерно N3 арифметических действий. Поэтому для работы вреальном масштабе времени при больших N требуютсявычислительные средства высокой производительности.
Эффективным способом упрощения обработки является предварительное разбиение антенны на субрешетки, объединяющие некоторое число L элементов решетки, с неадаптивным формированием ДН на каждой из них. Для формирования адаптивнойДН в этом случае в качестве элементов антенны используются субрешетки, что приводит к сокращению числа каналов адаптациии соответственно размерности матрицы R b L раз.
Устройство спектрально-временной обработки. Сигнал, поступающий на вход устройства спектрально-временной обработки, представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала, пассивной помехи и активной помехи. Характеристики полезного сигнала определяются типом лоцируемого объекта.
При обнаружении сигнала с неизвестными параметрами должна производиться многоканальная обработка по частоте и времени путем реализации алгоритма для каждого элемента разрешения в заданной области.
В случае обнаружения объектов (например, самолетов), у которых отраженный сигнал имеет узкий (существенно уже частоты повторения) спектр флуктуации, практическая реализация устройства обработки значительно упрощается. Вследствие узкополосности сигнала его спектр сосредоточен (при построении узла межпериодной обработки в виде анализатора спектра) в пределах одного канала обнаружения. Однако ввиду неизвестности доплеровской частоты полезного сигнала должно быть реализовано несколько каналов, перекрывающих интервал частот от нуля до частоты, равной частоте повторения.
При узкополосном спектре флуктуации полезного сигнала имеет место проблема так называемых «слепых скоростей», проявляющихся при кратности доплеровской частоты сигнала частоте повторения. Известны традиционные методы решения этой проблемы, например, путем вобуляции частоты повторения РЛС.
Тракт определения оптимального поддиапазона рабочих частот. Для эффективной работы ЗГ РЛС важно иметь полученные в реальном масштабе времени характеристики трассы распространения, а также данные о занятости частотного диапазона. Важно также, чтобы параметры внешней среды оптимальным образом согласовались с параметрами РЛС.
Одно из возможных решений задачи согласования параметров РЛС (таких, как рабочая частота) с характеристиками трассы распространения (амплитудно-частотными и дальностно-частотными) заключается во введении в состав РЛС специального тракта определения оптимального поддиапазона рабочих частот. Назначение этого тракта должно заключаться в выборе поддиапазона частот, в котором затухание на трассе распространения минимально, с целью оптимизации работы тракта обнаружения полезного сигнала.
Основная информация, которая используется в рассматриваемом тракте, основывается на зависимостях амплитуд сигналов и величины их задержек от рабочей частоты. Эти зависимости определяются амплитудно-частотными и дальностно-частотными характеристиками. Для получения указанных характеристик в тракте оптимальных рабочих частот должно осуществляться непрерывное частотное сканирование в широком диапазоне частот. Конструктивно данный тракт может представлять собой самостоятельную РЛС, входящую в состав основной РЛС, со своим возбудителем и отдельными приемными устройствами. Усилители мощности передающего комплекса и передающая и приемные антенны могут быть совмещены с соответствующими устройствами тракта обнаружения. Излучение для рассматриваемого тракта должно осуществляться на частотах, отличных от частот тракта обнаружения, в паузах между посылками импульсов, излучаемых по основному тракту.
Задача оптимизации частоты решается путем анализа амплитудно-частотных и далыюстно-частотных характеристик сигналов.
Тракт выбора рабочего канала. Наряду с выбором оптимального поддиапазона рабочих частот необходим контроль за всем этим поддиапазоном для установления его загрузки работой различных радиотехнических средств. Контроль занятости выбранного поддиапазона может помочь при выборе точного значения рабочей частоты РЛС и ширины полосы излучения, имея в виду выбор канала и режима работы с минимальным уровнем помех и с наименьшим воздействием на работу других радиотехнических средств. Задача тракта выбора рабочего канала заключается в определении конкретных номиналов рабочих частот для тракта обнаружения в пределах области оптимальных рабочих частот. Рабочие каналы выбираются из условий минимального уровня помех с учетом полосы частот тракта обнаружения. Аппаратура тракта выбора рабочего канала представляет собой приемное устройство, которое анализирует уровень помех в зависимости от частоты.
Вычислительный комплекс. Этот комплекс должен обладать высокой производительностью и большим объемом оперативной и командной памяти, поскольку в нем осуществляется вторичная обработка информации, поступающей со всех основных трактов станции, а также решаются задачи контроля их работы, управления и документирования.
Дата добавления: 2021-02-19; просмотров: 349;