Средства воздушной радиолокационной разведки

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 01:56, 20 апреля 2017.

Радиолокационные станции

В современных комплексах воздушной разведки широкое использование при ведении всепогодной разведки находят радиолокационные станции (РЛС). Это обусловлено тем, что радиолокационное наблюдение обладает целым рядом преимуществ перед визуальным наблюдением и аэрофотосъемкой местности. Так, вследствие значительно меньшего ослабления радиоволн при их распространении и атмосфере обеспечивается всепогодность радиолокационного наблюдения, то есть возможность наблюдения сквозь дымку, облака, туман и дождь, а также сквозь дымовую завесу и пылевые облака. Работа РЛС не зависит от условий естественной освещенности земли, следовательно, возможно радиолокационное наблюдение в любое время суток.

Радиолокационные станции могут обеспечить наблюдение участка земной поверхности, находящегося на большом удалении от самолета. Наконец, благодаря значительному различию характера отражения от объектов и земной поверхности радиоволн и световых волн возможно наблюдение деталей, невидимых в оптическом диапазоне волн, например металлических объектов, окрашенных под фон местности. Важным преимуществом РЛС является также практическая возможность выделения (селекции) движущихся целей.

РЛС панорамного обзора

Самолетные РЛС панорамного обзора использовались для обнаружения наземных объектов еще со времен второй мировой войны. В отличие от большинства других разведывательных средств они обеспечивают всепогодное наблюдение земной поверхности и объектов. Однако вследствие низкой угловой разрешающей способности такие РЛС не позволяли получать детальные радиолокационные изображения, необходимые для воздушной разведки. На экране РЛС оператор наблюдал лишь отдельные пятна, соответствующие крупным населенным пунктам, мостам, кораблям и т.п.

Рис.1. Обзор земной поверхности панорамной РЛС

Панорамные РЛС осуществляют обзор земной поверхности путем кругового вращения или секторного качания луча антенны в азимутальной плоскости (рис.1). При этом на индикаторе можно наблюдать изображение местности в зоне обзора, имеющей вид круга или сектора с максимальным радиусом, равным дальности действия РЛС.

В то же время ширина луча на местности по азимуту (линейное разрешение по азимуту) увеличивается пропорционально наклонной дальности. Например, при длине волны 3 см и размере антенны 150 см угловая ширина луча составляет 1,15° и на дальности 120 км разрешение равно 2,5 км. Такая низкая разрешающая способность приводит к тому, что на индикаторе панорамной РЛС обычно наблюдаются отметки только от крупных объектов (мостов, населенных пунктов, кораблей). Вследствие этого панорамные РЛС не могут выполнять целый ряд задач, связанных с радиолокационной разведкой, картографированием местности, геофизической разведкой и т.п.

Рис.2. Зависимость угловой разрешающей способности от размера апертуры

На рис.2 показана зависимость угловой разрешающей способности от относительного размера антенн РЛС, оптических приборов, зрачка глаза. Из графика, в частности, видно, что панорамная РЛС имеет примерно в 100 раз худшее угловое разрешение, чем человеческий глаз.

РЛС бокового обзора

Требования значительного увеличения разрешающей способности привело к созданию двух новых типов РЛС обзора земной поверхности, так называемых РЛС бокового обзора: с вдольфюзеляжной антенной (РФА) и с синтезированной антенной (РСА).

Благодаря разработке радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО) стало возможным получать высококачественные радиолокационные изображения земной поверхности и объектов, сравнимые по детальности с аэрофотоснимками.

Наряду с возможностью получения детальных радиолокационных изображений, независимо от метеоусловий и естественной освещенности земли, РЛС БО обладают целым рядом других важных особенностей: возможностью наблюдать районы, расположенные на значительном удалении от самолета, способностью одновременного обзора широкой полосы местности, возможностью наблюдения объектов, невидимых в оптическом диапазоне волн, а также выделения движущихся целей.

РЛС БО позволяют вести разведку мест сосредоточения военной техники (танков, автомашин и т.п.), отдельных движущихся объектов, железнодорожных путей и шоссейных дорог, аэродромов и самолетов, находящихся на них.

Кроме того, РЛС БО используются для картографирования местности, ведения инженерной и геологической разведки, определения ледовой обстановки, составления карт растительности и снежного покрова, обнаружения нефтяных пятен на море и т.п.

РЛС с вдольфюзеляжной антенной (РФА)

В РЛС с вдольфюзеляжной антенной для увеличения разрешения по азимуту используют длинную приемо-передающую антенну. В отличие от панорамной РЛС антенна неподвижна относительно самолета и располагается вдоль фюзеляжа на его боковой части либо в подвесном контейнере-обтекателе. Благодаря этому размер антенны можно увеличить до 15...20 м, вследствие чего разрешающая способность по азимуту по сравнению с панорамной РЛС возрастает в несколько раз.

Рис.3. Обзор земной поверхности РЛС бокового обзора

Обзор местности в РФА осуществляется перемещением антенны относительно земной поверхности при полете самолета по прямолинейной траектории (рис.3). Антенна формирует один или два (при обзоре двух сторон) луча, направленных перпендикулярно линии пути самолета, то есть в боковом направлении, отсюда и название "РЛС бокового обзора". Так же, как и в панорамной РЛС, излученный антенной радиоимпульс последовательно облучает участки узкой полоски местности, определяемой шириной диаграммы направленности антенны. При полете самолета по прямолинейной траектории луч РЛС перемещается вместе с самолетом так, что на индикаторе формируется изображение в прямоугольных координатах наклонная дальность — путевая дальность, просматривается непрерывная полоса местности, параллельная траектории полета самолета. Путем введения нелинейной развертки по дальности на индикаторе возможно формирование изображения в координатах горизонтальная дальность — путевая дальность.

Особенностью бокового обзора является однократное наблюдение объекта за время обзора при полете самолета по прямолинейной траектории, в то время как при панорамном обзоре цель наблюдается периодически, при каждом обороте антенны. Так как линейная скорость перемещения луча в РЛС бокового обзора, определяемая скоростью полета самолета, гораздо меньше, чем линейная скорость луча при вращении антенны в панорамной РЛС, время обзора заданного участка земной поверхности при боковом обзоре увеличивается.

Высокая разрешающая способность РФА по азимуту на небольших дальностях, а также длительное накопление энергии отраженных сигналов за время прохождения разрешаемого участка земной поверхности в луче антенны позволяют получать высококачественные изображения местности и объектов, приближающиеся по своему характеру к аэрофотоснимкам.

Однако, несмотря на значительное увеличение угловой разрешающей способности по сравнению с панорамной РЛС, РФА не обеспечивает эффективного решения всех задач радиолокационного наблюдения земной поверхности на больших удалениях от самолета. Это объясняется тем, что линейная разрешающая способность по путевой дальности, определяемая шириной луча антенны по азимуту и дальностью до наблюдаемого участка местности, ухудшается пропорционально увеличению дальности. Так, например, если на дальности 10 км разрешение по путевой дальности равно 50 м, то на дальности 100 км оно будет равно 500 м. Вследствие этого при большом удалении от самолета на радиолокационном изображении, так же как на изображении панорамной РЛС, будут наблюдаться только крупные объекты.

РЛС с синтезированной антенной (РСА)

Получение высокого разрешения по путевой дальности на больших удалениях от самолета возможно с помощью РЛС с искусственной (синтезированной) апертурой антенны. Принцип действия РЛС с синтезированной апертурой основан на использовании прямолинейного движения антенны РЛС для последовательного формирования антенной решетки на траектории полета.

Рис.4. Формирование диаграммы направленности антенной решеткой

Известно, что диаграмма направленности (ДН) антенны формируется в результате когерентного (с учетом фазы) сложения радиоволн, принимаемых отдельными элементами антенны. Так, например, если антенная система (рис.4) состоит из 10 последовательно расположенных одинаковых антенн размером d (линейная решетка) и сигналы, принимаемые каждой антенной, когерентно суммируются, то антенная решетка имеет такую же узкую диаграмму направленности, как и антенна размером 10 d.

Следовательно, повышение угловой разрешающей способности возможно путем когерентного суммирования сигналов антенн, расположенных в пространстве на прямой линии, то есть путем создания антенной решетки.

Рис.5. Обзор земной поверхности с помощью РСA

В РЛС бокового обзора применяется небольшая антенна, широкая диаграмма направленности которой неподвижна относительно самолета и направлена перпендикулярно линии пути (боковой обзор). При полете самолета антенна РЛС последовательно занимает в пространстве положения 1, 2, 3 и т.д. (рис.5) на прямой линии (траектории полета самолета), тем самым формируя искусственную (синтезированную) антенную решетку.

Запоминая ряд сигналов, последовательно принимаемых антенной РЛС в каждой точке на участке траектории (например, 1 —10), затем когерентно их суммируя, получаем узкую диаграмму направленности искусственно сформированной антенной решетки. Размер решетки, то есть размер синтезированной апертуры антенны РЛС, равен длине участка траектории, на котором производится запоминание и когерентное суммирование сигналов.

Используя метод когерентной обработки принимаемых сигналов, можно увеличить разрешающую способность РСА по азимуту в 100 раз и более по сравнению с панорамными РЛС (см. рис.2). По потенциальным характеристикам разрешающей способности РЛС с синтезированной апертурой приближаются к оптическим средствам наблюдения.

Размер синтезированной апертуры, то есть участок траектории, на котором обрабатываются сигналы, можно изменять так, чтобы ширина синтезированной диаграммы направленности уменьшалась пропорционально увеличению дальности. Это позволяет получать радиолокационные изображения с постоянной разрешающей способностью независимо от удаления просматриваемого участка местности.

Разрешение по наклонной дальности в РСА обеспечивается, как и в других РЛС обзора земной поверхности, за счет импульсного режима работы РЛС.

Радиолокационное изображение в РСА получается в прямоугольных координатах наклонная дальность — путевая дальность.

Так как в основе принципа синтезирования апертуры антенны РЛС лежит когерентное (синфазное) сложение сигналов, то предъявляются жесткие требования к стабильности фазовых характеристик принимаемых сигналов. Это, в свою очередь, предъявляет высокие требования к пилотированию самолета для поддержания прямолинейности траектории полета, особенно в турбулентной атмосфере, к стабильности амплитудно-фазовых характеристик приемопередающего тракта РЛС и системы обработки сигналов, параметров-среды распространения радиоволн, особенно при больших дальностях наблюдения, и характеристик отражения радиоволн наблюдаемых объектов.

Изображение в РСА формируется с некоторым запаздыванием, равным времени пролета самолетом участка траектории, на котором синтезируется раскрыв антенны (доли секунды). Гораздо большее время задержки (до нескольких часов) получается, когда на борту самолета отраженные сигналы только записываются на фотопленку, а радиолокационное изображение формируется в наземной оптической системе. В РСА с цифровой обработкой сигналов радиолокационное изображение получается непосредственно на борту самолета в реальном масштабе времени.


Принципы оптической голографии

Оптические методы обработки сигналов РСА в настоящее время позволяют получать высококачественные изображения земной поверхности. В основе оптических устройств обработки лежит голографический метод, при котором записанные на пленку радиолокационные сигналы (радиоголограммы) используются для формирования радиолокационного изображения. В РСА принцип голографии используется как при регистрации отраженных радиоволн, так и в оптических устройствах обработки сигналов.

Обязательным условием голографирования является когерентность источника света. В оптическом диапазоне источниками когерентного света являются лазеры. Если пучком света от такого источника осветить точечный объект А (рис.6), то часть энергии отразится и возникнет так называемая сигнальная волна, поступающая от объекта на фотопластинку и имеющая сферический фазовый фронт. Для регистрации голограммы на ту же фотопластинку необходимо направить опорную волну. Эта волна должна быть когерентна с сигнальной волной, то есть должна иметь ту же частоту, что обычно достигается использованием одного источника света.

Кроме того, в данной схеме голографирования предполагается, что опорная волна представляет собой пучок параллельных лучей, имеющих плоский фазовый фронт. В этом случае фаза колебаний опорной волны будет одна и та же в каждой точке фотопластинки.

Фаза колебаний сигнальной волны в каждой точке ее пересечения с пластинкой различна и зависит от расстояния, которое прошла волна от объекта до данной точки. Так как опорная и сигнальная волны когерентны, разность фаз между ними в каждой точке на фотопластинке неизменна во времени. При сложении на фотопластинке двух волн разность фаз сигнальной и опорной волн приводит к пространственной амплитудной модуляции суммарного светового потока (интерференции).

Полученная интерференционная картина регистрируется на фотопластинку в результате достаточно длительной экспозиции.

Рис.6. а — ход лучей; б — распределение интенсивности света на фотопластинке

После проявления фотопластинки степень ее почернения будет зависеть от амплитуды регистрируемого поля. График почернения для рассматриваемого случая представлен на рис.6,б. Такое изображение на фотопластинке называется голограммой точечного объекта А.

Рис.7. Получение изображения объекта с помощью голограммы

Голограмма позволяет восстановить изображение объекта. Для этого необходимо облучить ее опорной волной (рис.7). Опорная волна, проходя через голограмму, создает изображение объекта А точно в том месте, где он находился в момент записи голограммы. Изображение А не будет точечным, а несколько размытым. Размер пятна дх, определяющий детальность создаваемого изображения:

где длина облучающей волны;
расстояние от голограммы до объекта;
линейный размер голограммы.

Оптическая голография позволяет обеспечить, чрезвычайно высокую разрешающую способность, так как длина волны света во много раз меньше размера голограммы.

В случае если объект представляет собой сложное тело, на голограмму записывается совокупность голограмм всех точек объекта. Волновой фронт, формируемый при восстановлении с такой голограммы, равен сумме волновых фронтов от каждой точки объекта, то есть идентичен волновому фронту от самого объекта. При этом происходит формирование изображения объекта на расстоянии от голограммы.

Основные особенности голографического процесса заключаются в следующем:

  • для голографии необходимо наличие когерентных опорной и сигнальной волн;
  • в процессе голографирования происходит перекодирование амплитудно-фазового распределения поля сигнальной волны в амплитудное распределение сигнала и регистрация этого сигнала в виде голограммы (интерференционной картины);
  • для восстановления изображения необходимо получить голограмму опорной волной.

Голограммы обладают рядом интересных свойств. Одно из важнейших состоит в возможности изменения масштаба изображения. Если одновременно изменить в одно и то же число раз линейный размер голограммы и длину волны восстанавливающего изображение пучка света, то в соответствующее число раз изменится и масштаб создаваемого изображения. Если изменения длины волны и масштаба голограммы непропорциональны, то изображение также будет сформировано, однако в нем возникнут масштабные искажения. Во многих практических применениях эти искажения не играют существенной роли.

Это свойство позволяет записывать голограммы на одной длине волны, например в радиодиапазоне, а восстанавливать волновой фронт и наблюдать изображение на другой волне, в оптическом диапазоне.