Моноимпульсная радиолокация

Моноимпульсная радиолокация — метод измерения радиолокационной станцией (РЛС) угловых координат объекта, основанный на использовании зависимости амплитуды или фазы отражённых им сигналов, одновременно принятых по нескольким пространственным каналам, от направления прихода волн и в связи с этим называемый по-другому многоканальным. Исторически сложившееся название метода отражает его способность определения направления на объект по одиночному импульсу, хотя аналогичным образом может осуществляться пеленгация и с помощью РЛС непрерывного излучения. Основное преимущество перед одноканальными радиолокационными методами, основанными на коническом сканировании или последовательной обработке нескольких принимаемых импульсов, заключается в более высокой точности измерений.

История

Моноимпульсная РЛС впервые построена под руководством американского физика Роберта Морриса Пейджа в Исследовательской лаборатории ВМС США (NRL) в 1943 году. Дорогостоящее, трудоёмкое и малонадёжное устройство применялось только когда требовалась точность пеленгации, которая оправдывала его стоимость. Позднее моноимпульсные РЛС использовались для наведения ракеты MIM-3 Nike Ajax, в которой требовалась очень высокая точность командного наведения. Для полуактивного самонаведения ракеты моноимпульсный метод впервые применён на ракете MIM-23B ЗРК HAWK. Моноимпульсные РЛС сыграли важную роль для космических аппаратов, использовались в системе управления огнём Mk 74 корабельного зенитного ракетного комплекса Tartar.

В СССР моноимпульсная радиолокация использовалась, например, в самонаведении ракеты воздушного боя Р-23Р, для обеспечения связи со спутниками-ретрансляторами «Альтаир» и для управления полётом орбитальной станции «Мир», в 1988 году — для обеспечение связи при полёте орбитального корабля «Буран». Точность наведения антенны на спутник-ретранслятор составляла 20′. Наведение антенны на спутник-ретранслятор в широком диапазоне углов обеспечивалось использованием многоступенчатого пеленгатора.

Виды моноимпульсных систем

Основными элементами моноимпульсных РЛС являются угловой датчик и угловой дискриминатор. Угловой датчик предназначен для извлечения угловой информации из принятого сигнала и в зависимости от способа пеленгования может быть 3 типов: амлитудным, фазовым или амплитудно-фазовым. Угловой дискриминатор выполняет сравнение принятых каналами углового датчика сигналов. По виду используемого в нем информативного параметра также различают 3 типа дискриминаторов: амплитудный, фазовый и суммарно-разностный. В зависимости от комбинации типов углового датчика и углового дискриминатора возможны 9 классов различных моноимпульсных систем. Наиболее часто используемыми на практике являются 4 из них: амплитудно-амплитудная, фазово-фазовая, амплитудная суммарно-разностная и фазовая суммарно-разностная.

Процесс определения углового положения цели в угловом дискриминаторе сводится к выделению вещественной функции отношения сигналов в каналах приемника, однозначно связанной с углом прихода волнового фронта. Эта функция $S(\theta )$ называется пеленгационной характеристикой. Для успешного определения направления на цель она должна удовлетворять следующим условиям:

• являться нечетной функцией угла прихода сигнала;
• обладать линейностью при малых отклонениях цели от равносигнального направления (такого направления, получение сигнала с которого вызывает одинаковые сигналы в каналах углового датчика). При этом для количественного описания скорости изменения сигнала на выходе дискриминатора вводят понятие крутизны пеленгационной характеристики:

$\mu =\left\vert {\frac {dS(\theta )}{d\theta }}\right\vert _{\theta =0}$. Крутизна определяет пеленгационную чувствительность системы: чем больше значение μ, тем меньшая величина углового отклонения цели может быть зарегистрирована.

В зависимости от типа углового дискриминатора для образования пеленгационной характеристики может использоваться мультипликативная функция угла

$r(\theta )={\frac {{\hat {E}}_{1}(\theta )}{{\hat {E}}_{2}(\theta )}}$ (для амплитудного или фазового дискриминатора)

либо аддитивная

$r(\theta )={\frac {{\hat {E}}_{1}(\theta )-{\hat {E}}_{2}(\theta )}{{\hat {E}}_{1}(\theta )+{\hat {E}}_{2}(\theta )}}$ (для суммарно-разностного дискриминатора),

где

${\hat {E}}_{1}(\theta )$, ${\hat {E}}_{2}(\theta )$— комплексные амплитуды сигналов на выходах каналов углового датчика.

Число приемных каналов моноимпульсной системы определяется количеством одновременно обрабатываемых сигналов и при пеленгации в одной плоскости равно 2. При пеленгации в 2 плоскостях число каналов может равняться 3 (для суммарно-разностных систем — один суммарный и два разностных) или 4.

Системы с амплитудным пеленгованием

В каждой координатной плоскости такой системы формируются 2 луча, отклоненных от равносигнального направления на угол $\theta _{0}$.

Пусть на вход системы поступает отраженный сигнал от цели

${\hat {E}}(t)=E_{m}e^{i{\omega }t}$,

тогда при отклонении цели от равносигнального направления на угол θ принятые лучами сигналы будут определяться выражениями:

${\hat {E}}_{1}(t,\theta )=E_{m}F(\theta _{0}-\theta )e^{i{\omega }t}$,

${\hat {E}}_{2}(t,\theta )=E_{m}F(\theta _{0}+\theta )e^{i{\omega }t}$,

где

$F(\theta )$ — значение диаграммы направленности антенны.

При нахождении цели на равносигнальном направлении значения сигналов будут одинаковы.

Амплитудно-амплитудная система

В амплитудно-амплитудной системе каждому лучу соответствует свой независимый приемный канал. Характерной особенностью такой системы является наличие логарифических усилителей в тракте приемника.

После преобразования по частоте, усиления на промежуточной частоте и амплитудного детектирования сигналы на выходе каналов будут иметь вид:

$u_{1}(\theta )=\ln[k_{1}E_{m}F(\theta _{0}-\theta )]$,

$u_{2}(\theta )=\ln[k_{2}E_{m}F(\theta _{0}+\theta )]$,

где $k_{1}$, $k_{2}$— коэффициенты передачи каналов.

Угловой дискриминатор представляет собой схему вычитания, на выходе которой имеем:

$S(\theta )=\ln {\frac {k_{2}F(\theta _{0}+\theta )}{k_{1}F(\theta _{0}-\theta )}}$.

При идентичности приемных каналов ($k_{1}=k_{2}$), линейности пеленгационной характеристики и малости углового отклонения цели

$S(\theta ){\approx }\ln {\frac {1+\mu \theta }{1-\mu \theta }}{\approx }2\mu \theta$.

Таким образом, разность амплитуд принятых сигналов однозначно определяет угол отклонения цели от равносигнального направления, а знак этой разности характеризует направление смещения цели относительно равносигнального направления.

Недостатком такой системы является необходимость поддержания высокой идентичности логарифмических амплитудных характеристик в каналах.

Амплитудная суммарно-разностная система

Основной принцип работы амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной системы заключается в формировании в антенне РЛС суммарных и разностных диаграмм направленности

Луч антенны моноимпульсной амплитудной суммарно-разностной системы с суммарной и разностными диаграммами

Характерной особенностью суммарно-разностных систем является формирование суммарного и разностного сигналов с помощью волноводного или микрополоскового преобразователя. Сигналы на выходе такого преобразователя в условиях линейности пеленгационной характеристики и малости углового отклонения цели имеют вид:

${\hat {u}}_{\Sigma }(t,\theta )={\hat {E}}_{1}(t,\theta )+{\hat {E}}_{2}(t,\theta ){\approx }E_{m}F(\theta _{0})e^{i{\omega }t}$,

${\hat {u}}_{\Delta }(t,\theta )={\hat {E}}_{1}(t,\theta )-{\hat {E}}_{2}(t,\theta ){\approx }E_{m}F(\theta _{0})\mu {\theta }e^{i{\omega }t}$.

Суммарный сигнал используется как опорный при нормировке разностного. Нормировка позволяет устранить влияние временных флуктуаций сигнала на конечный результат. Кроме того, суммарный сигнал используется при обнаружении цели на фоне помех, определении ее дальности и скорости.

В качестве углового дискриминатора выступает фазовый детектор, сигнал на выходе которого

$S(\theta )={\frac {{\hat {u}}_{\Delta }}{{\hat {u}}_{\Sigma }}}{\approx }\mu \theta$.

Суммарно-разностный угловой дискриминатор менее требователен к идентичности характеристик приемных каналов и потому находит более широкое применение.

Трехканальная амплитудная суммарно-разностная система, содержащая два разностных канала (для азимутальной и угломестной плоскостей пеленгования соответственно) и суммарный, общий для обоих плоскостей, является наиболее широко используемой.

Системы с фазовым пеленгованием

При фазовом пеленговании направление на цель определяется сравнением фаз сигналов, принимаемых двумя антеннами. Поскольку расстояние между антеннами много меньше дальности до цели, принимаемые антеннами сигналы практически одинаковы по амплитуде, но различаются по фазе, если цель находится не на равносигнальном направлении, в силу разницы хода лучей

$\Delta \varphi ={\frac {2{\pi }d\sin \theta }{\lambda }}$,

где

d — расстояние между антеннами,

θ — угол между равносигнальным направлением и линией визирования цели,

λ — длина волны.

На выходах каналов углового датчика появятся следующие сигналы:

$E_{1}(t,\theta )=E_{m}F(\theta )e^{i({\omega }t+{\tfrac {\Delta \varphi }{2}})}$,

$E_{2}(t,\theta )=E_{m}F(\theta )e^{i({\omega }t-{\tfrac {\Delta \varphi }{2}})}$.

Фазово-фазовая система

После преобразования сигнала в одном из каналов, заключающегося в добавлении фазового сдвига ${\frac {\pi }{2}}$ для обеспечения равенства нулю выходного сигнала при совмещении равносигнального направления с направлением на цель, угловой дискриминатор в виде фазового детектора формирует мультипликативную функцию сигналов каналов приемника, выполняя их умножение и усреднение. На выходе сигнал при этом следующий (с точностью до постоянного множителя):

$S(\theta )\thicksim \sin \Delta \varphi =\sin {\frac {2{\pi }d\sin \theta }{\lambda }}$,

то есть при малых отклонениях цели от равносигнального направления пропорционален этому отклонению.

Недостатком фазового углового дискриминатора является большая зависимость точности пеленгования от степени идентичности фазовых характеристик каналов приемника и их стабильности.

Фазовая суммарно-разностная система

Преобразования, выполняемые в фазовой суммарно-разностной системе над выходными сигналами антенн, сводятся сначала к получению суммарного и разностного сигналов по аналогии с амплитудной суммарно-разностной системой, затем к осуществлению над ними операций, аналогичных выполняемым в фазово-фазовой системе над сигналами приемных каналов. На выходе фазового детектора с точностью до постоянного множителя получается следующее:

$S(\theta ){\thicksim }tg{\frac {\Delta \varphi }{2}}=tg{\frac {{\pi }d\sin \theta }{\lambda }}$.

Антенны моноимпульсных систем

Облучатель моноимпульсной РЛС

В качестве антенн могут использоваться параболические антенны, линзовые, спиральные, фазированные антенные решетки. В антеннах моноимпульсных систем суммарные и разностные диаграммы формируются облучателем в перпендикулярных плоскостях (Е и Н). Облучатель формирует требуемое амплитудно-фазовое распределение поля для облучения апертуры антенны, обеспечивая синфазное распределение при формировании суммарной диаграммы и противофазное на верхней и нижней, а также левой и правой половинах раскрыва при формировании разностных. В качестве облучателей могут применяться рупорные, щелевые, волноводно-вибраторные.

Преимущества

В системах конического сканирования точность указания цели по углу составляет порядка 0,1 градуса, моноимпульсные радары улучшают точность в 10 раз, а усовершенствованные радары, такие как AN / FPS-16, добиваются точности до 0,006 градусов. Это точность соответствует около 10 м на расстоянии 100 км. Чтобы подавить такую ​​систему, сигнал помех должен повторять поляризацию сигнала, а также время его излучения, что достаточно затруднено.

В отличие от локаторов с коническим сканированием, в которых луч сканирует и на передачу и на прием, что вызывает двойную паразитную амплитудную модуляцию, в моноимпульсных РЛС направление на цель полностью определяется по приемной диаграмме направленности, при этом передающая остается такой же, как и у обычного импульсного локатора. Это также позволяет увеличить мощность сигнала, излучаемого в равносигнальном направлении.

Применение

К началу XXI века, когда снизилась стоимость и сложность моноимпульсной радиолокации, повысилась надёжность, она используется в большинстве современных РЛС слежения и для самонаведения многих типов ракет.

Ярким примером моноимпульсных вторичных радиолокаторов (МВРЛ) служат МВРЛ СВК и МВРЛ АВРОРА.

Литература

• Родс, Д. Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. — М.: Советское радио, 1960. — 158 с.
• Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Вишнеков В. Е., Кравец В. Г. «Перспективы использования опыта разработки и эксплуатации системы связи со станцией „Мир“ и кораблем „Буран“ для российского сегмента международной космической станции». Журнал «Космическая техника и технологии» № 3/2013.
• Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королева. На рубеже двух веков. 1996—2001 гг. / Королев: РКК «Энергия», 2001.