Шумовые помехи призваны исключить обнаружение цели и сделать невозможным измерение её координат. Что противопоставляют этому на радиолокационной стороне? Прежде всего, улучшение энергетических возможностей РЛС, совершенствование средств распознавания сигналов в помехе, поиски новых путей использования селективных возможностей при обработке сигналов. Однако главный упор делается в настоящее время на перестройку частоты передатчиков РЛС, включая перестройку от импульса к импульсу, а также на многочастотный режим работы РЛС. Надо сказать, что в целом это усложняет конструкцию РЛС, делает её менее мобильной. И хотя в последние годы разработаны достаточно совершенные устройства, называемые синтезаторами частоты, способные выдавать набор частот с малым межчастотным шагом в широкой полосе и с большим быстродействием, всё же их применение в основном ограничено установками стационарного типа.
И всё же игра стоит свеч, ибо введение в РЛС режима перестройки частоты от импульса к импульсу освобождает от помехи весь интервал дальности до постановщика помехи. Тем не менее разработчики САП стараются автоматизировать работу станции таким образом, чтобы перекрыть помехой свободные участки частотного диапазона. Погоню за провалами в частотном спектре шума иногда характеризуют такими словами: "Мы убегаем, вы догоняете". Вместе с тем существуют СВЧ приборы, охватывающие весь возможный диапазон перестройки частоты. Такие приборы используются в ретрансляционных САП. Если в САП этого типа имеется режим шумовой модуляции, то эффект от перестройки частоты менее ощутим. В многочастотных РЛС число используемых частот обычно бывает невелико. Многоканальные САП осуществляют поиск и слежение за спектром таких РЛС.
Но вот сигнал цели обнаружен, теперь необходимо его захватить и обеспечить его сопровождение, ибо цель движется, меняется её угловое положение, дальность до цели и скорость её перемещения. Методы сопровождения сигнала цели во многом зависят от типа РЛС, и мы рассмотрим сейчас основные виды РЛС и принципы, которые заложены в основе системы сопровождения для каждого из типов РЛС.
Начнём с импульсных РЛС. Источником зондирующих сигналов является передатчик, излучающий импульс высокочастотной энергии, который после отражения от цели принимается входным устройством РЛС. Угловые координаты цели определяются путём фиксации углового положения луча антенны, а дальность – по времени прохождения сигнала до цели и обратно. Учитывая скорость распространения волны в пространстве 3 · 10 м/сек, найдём расстояние до цели, равное Rкм = 1,5 · 10t сек, где t – время. Например, 100 км дистанции соответствует временной интервал в 660 мксек = 0,66 · 10 сек. Отсюда следуют ограничения в частоте повторения импульсов FП. При частоте FП = 1000 Гц, максимальная дальность равна 150 км.
В совмещённом варианте, когда для приёма и передачи используется одна и та же антенна, необходимы меры для защиты входных цепей приёмника от мощных импульсов передатчика. Защита производится с помощью газовых разрядников, которые срабатывают в момент включения передатчика, замыкают вход за счёт ионизации и кратковременно отключают приёмник от антенны.
В импульсных РЛС, как правило, используется супергетеродинный приём отражённых сигналов. Для этого сигнал подаётся на СВЧ смеситель, где смешивается с сигналом местного гетеродина и образует сигнал промежуточной частоты. Местным гетеродином может служить отражательный клистрон, рабочая частота которого отличается от частоты отражённого сигнала на промежуточную частоту (обычно 30 или 60 мГЦ). Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) является основным усилителем отраженного сигнала и обеспечивает усиление более чем в миллион раз до уровня, достаточного для детектирования принятого сигнала. Полоса пропускания УПЧ соизмерима со спектром частот импульсов, но вместе с сигналом усиливаются и шумы. К уровню шумов антенны добавляются шумы смесителя и входных каскадов УПЧ. Дополнение, создаваемое приёмным трактом в отношении шумов, определяется т. н. шум-фактором.
После детектирования и усиления на видеочастоте принятые импульсы поступают в систему автоматического сопровождения по направлению и в систему автоматического сопровождения по дальности. Рассмотрим их в отдельности.
Существует достаточно большое число разнообразных технических средств, реализующих системы сопровождения по направлению. Мы здесь остановимся на одном из них – методе конического сканирования. Согласно этому методу ось главного лепестка ДНА движется по образующей конуса. Если цель находится на оси образованного конуса, модуляция отражённых импульсов, вызванная сканированием луча антенны, отсутствует. При смещении цели относительно оси конуса появляется периодическая амплитудная модуляция импульсов с частотой сканирования. Глубина модуляции зависит от угла отклонения цели от оси конуса, а фаза модулирующего колебания определяется углом поворота цели в принятой системе координат. Для получения углового положения цели в виде напряжения используются два фазовых детектора, на сигнальные входы которых подаются импульсы с приёмного тракта РЛС, а на вторые входы – сигналы опорного генератора. При этом частота опорных сигналов совпадает с частотой сканирования, а фазы сдвинуты на 90°. Полученные на выходе фазовых детекторов после фильтрации сигналы рассогласования подаются в следящую систему управления движением антенны для удержания цели на оси конуса развёртки.
Представляют, конечно, интерес вид помех, которые могут быть созданы для нарушения функционирования систем углового сопровождения с коническим сканированием. Но прежде чем обсуждать эту тему, необходимо сказать о том, что на станции активных помех должен быть получен некий основополагающий набор данных, позволяющий представить хотя бы ориентировочный облик РЛС, которой надо противодействовать. К этим данным относятся диапазон излучаемых частот, вид излучения (непрерывный, импульсный), тип модуляции (амплитудная, частотная), основные параметры импульсов (частота повторения и др.), примерное направление на источник излучения и т. д. По этим сведениям могут быть воссозданы тип, принадлежность РЛС и комплекс помех, наиболее эффективных при данном противостоянии. Для получения указанных сведений используются входные радиоприёмные устройства. Наиболее простыми из них являются приёмники прямого усиления. Они позволяют получить данные о диапазонах частот РЛС, виде излучения и ряд других данных. Вместе с тем с их помощью невозможно раскрыть внутреннюю структуру сигнала и связанные с этим виды модуляции. Кроме того, приёмники прямого усиления обладают низкой чувствительностью, что затрудняет анализ слабых сигналов. Приёмники этого типа строятся обычно по схеме усилитель-детектор.
В отличие от приёмников прямого усиления в устройствах, позволяющих получить значительно больший объём информации, используется супергетеродинный приём сигналов. Основная идея таких приёмников состоит в многократном преобразовании частоты принимаемых сигналов со снижением её до величин, обеспечивающих анализ сигналов имеющимися средствами. Схемно эта идея реализуется в виде каскадно включённых наборов параллельно соединённых полосовых фильтров и наборов местных гетеродинов (генераторов), причём входы фильтров первого каскада подключены к приёмной антенне, а их выходы соединены со входами фильтров следующего каскада через смесители, на гетеродинные входы которых поступают колебания от гетеродинов первой степени. Аналогично, выходы фильтров второго каскада соединены со входами фильтров следующего каскада через преобразователи частоты второй ступени и т. д. Преимущества устройств подобного типа состоят в получении перечисленных выше данных, возможности более полной идентификации РЛС по полученным данным, анализе внутренней структуры сигналов, переходе на цифру в последних каскадах, высокой чувствительности приёма. К недостаткам относятся сложность аппаратуры, ограниченный амплитудный динамический диапазон при приёме нескольких сигналов.
Предположим теперь, что с помощью входного приёмного устройства установлено, что перед постановщиком помех действует РЛС с коническим сканированием. Сам факт наличия такой РЛС определяется по присутствию амплитудной модуляции низкой частоты в излучаемом сигнале при открытом коническом сканировании или по проникающей паразитной модуляции в случае скрытого конического сканирования. Если имеет место открытое коническое сканирование, из принятого сигнала путём детектирования и фильтрации выделяется модулирующая функция, образуется противофазное напряжение, которым модулируется мощный ретранслированный СВЧ сигнал. Часто вместо синусоидальной модуляции используется противофазное меандровое колебание с частотой сканирования. При действии подобной помехи система сопровождения РЛС начинает поворачивать антенну в направлении некоей ложной цели, но одновременно происходит наделение сигнала помехи модуляцией на частоте сканирования. Оба фактора действуют навстречу друг другу. В какой-то момент времени они уравновешиваются. Угол отклонения от цели, соответствующий равновесному состоянию, и определяет угловое положение образованной ложной цели. Показано, что при некотором небольшом отклонении частоты модуляции помехи от частоты сканирования движение антенны становится эллиптическим, появляются более высокие ускорения, вследствие чего повышается вероятность срыва слежения.
В некоторых РЛС передающая антенна не сканирует, а функцию конического перемещения луча относительно равносигнального направления берёт на себя приемная антенна. В этом случае, имеет место скрытое коническое сканирование. При этом данные о частоте сканирования в принятом САП сигнале отсутствуют, а попытки добыть эту информацию из паразитных излучений могут оказаться тщетными. Если сформировать прицельную помеху по частоте сканирования не удаётся, используют помеху со скользящей частотой в диапазоне ожидаемых частот сканирования. Закон изменения частоты, как правило, линейный, а скорость вариации не превышает некоторого оптимального значения. Опыт показывает, что длительность пребывания помехи в полосе пропускания системы сопровождения в течение нескольких секунд обеспечивает срыв слежения при отношении помехи к сигналу не менее 10–15 дб.
Переходим к рассмотрению системы сопровождения по дальности для случая простых импульсных сигналов зондирования. Такие сигналы были широко распространены на начальных этапах развития радиолокационной техники. В системах сопровождения по дальности используется стробирование приёмника РЛС в течение кратковременного интервала в момент ожидаемого прихода отражённого сигнала. В остальное время приёмник заперт. Так как расстояние до цели непрерывно меняется, должно изменяться и положение строба дальности. Для этого используются импульсы, называемые полустробами. Импульсы располагаются таким образом, что передний полустроб перекрывает начальную половину отражённого импульса, а задний полустроб – остальную часть принятого импульса. При этом, что важно, оба полустроба при совпадении с принятым импульсом несут разные знаки в систему сопровождения. Пусть принятый импульс имеет симметричную форму, а полустробы делят его пополам. Если, например, передний полустроб несёт положительный знак, а задний полустроб – отрицательный знак, то после фильтрации сигнал ошибки будет близок к нулю. Однако, когда симметричность нарушается, сигнал по каналу одного полустроба становится больше, чем сигнал по каналу другого полустроба, с амплитудных детекторов каналов будут сниматься напряжения разной величины. Разность этих напряжений создаёт сигнал ошибки определённой величины и знака, который меняет задержку полустробов так, чтобы свести сигнал ошибки к нулю.
Для срыва слежения дальномерного канала применяется уводящая помеха по дальности. В чём состоит смысл этой помехи? Помеха действует на основе следующих друг за другом операций. Сигнал облучающей импульсной РЛС усиливается в САП с минимальной задержкой. При приёме в РЛС мощного сигнала помехи система АРУ подавляет полезный отражённый сигнал и содействует захвату стробом дальности сигнала помехи.
Сигнал помехи, первоначально совмещённый с отражённым сигналом, постепенно сдвигается по времени и уводит строб дальности до положения, соответствующего нескольким длительностям этого строба. При этом ускорение по дальности не должно превышать допустимого ускорения при реальном движении цели. После достижения требуемого увода следует выключение помехи, а РЛС переходит в режим поиска цели, исходя из последнего положения строба дальности.
В качестве следующего примера рассмотрим моноимпульсную систему сопровождения по направлению, использующую для селекции целей канал скорости. После этого выясним, каковы основные виды помех, способные нарушить работу таких РЛС. Диаграмма антенны моноимпульсной системы амплитудного типа состоит из двух одинаковых лепестков, симметрично смещённых по углу относительно оси антенны и образованных общим отражателем и двумя облучателями, сдвинутыми в разные стороны от центра. Приём сигналов производится по каждому из лепестков. Если цель находится на оси антенны, амплитуды и фазы отражённых сигналов, принятых парциальными диаграммами, будут одинаковыми. При отклонении цели от оси антенны возникает разбаланс.
Конструкция тракта антенны даёт возможность получить как сумму, так и разность сигналов, принимаемых парциальными диаграммами. Разность сигналов подаётся на сигнальный вход фазового детектора, а на его опорный вход – суммарный сигнал. Выходной сигнал фазового детектора управляет работой системы сопровождения по направлению. При отклонении цели от оси антенны разностный сигнал становится отличным от нуля, в результате чего система сопровождения отклоняет антенну в сторону уменьшения сигнала ошибки. Для управления по азимуту и углу места используется антенна с 4 лучами. Разность сигналов правого и левого лучей подаётся на вход фазового детектора азимутального направления, а разность сигналов верхнего и нижнего лучей – на фазовый детектор угломестного направления. Суммарный сигнал снимается со всех четырёх лучей.
Для нарушения работы моноимпульсных систем сопровождения РЛС используются амплитудные и фазовые методы формирования активных помех. Амплитудные методы основаны на глубокой амплитудной модуляции принимаемых от РЛС сигналов и излучении результатов модуляции с нескольких пространственно разнесённых объектов. Практически это выражается в создании т. н. мерцающих помех, когда передатчики помех, размещённые на двух или более летательных аппаратах, периодически или по случайному закону включаются и выключаются, вызывая раскачку антенны РЛС и появление угломерных ошибок или даже срыв слежения. Различают синхронные и несинхронные мерцающие помехи. При синхронизации помех полупериоду включения на одном объекте соответствует пауза на другом. Частота коммутации передатчиков помех обычно находится в пределах полосы пропускания следящей системы по направлению РЛС.
Для создания фазированных или когерентных помех моноимпульсному угломерному координатору РЛС необходимо обеспечить на входе её приёмной антенны противофазность сигналов, излучаемых из двух разнесённых в пространстве точек и имеющих близкие амплитуды. Вследствие этого возникает фазовая неоднородность в раскрыве приёмной антенны РЛС, что приводит к отклонению равносигнального направления в сторону от направления на цель. Для длительного удержания зоны фазовых искажений на входе РЛС используется метод перекрёстной ретрансляции, состоящий в перекрёстной передаче принятых сигналов с помощью фидерных линий в соседние точки, где после усиления они излучаются.
В заключение рассмотрим принцип действия системы сопровождения цели по скорости (канала селекции по скорости). Поступающий сигнал доплеровской частоты с помощью колебания гетеродина преобразуется к промежуточной частоте, на которую настроен узкополосный фильтр. С выхода фильтра сигнал подаётся на частотный дискриминатор, который образует напряжение, пропорциональное отклонению частоты сигнала от центральной частоты дискриминатора. Полученное напряжение является сигналом ошибки, подстраивающим опорный гетеродин к принятому сигналу доплеровской частоты. Разрешающая способность системы по скорости определяется полосой узкополосного фильтра. Для срыва работы системы слежения по скорости используют помеху увода по скорости. С этой целью мощным сигналом помехи медленно изменяют доплеровскую частоту, вследствие чего строб сопровождения по скорости уводится от частоты сигнала цели на величину, заведомо превышающую ширину строба. После чего помеха выключается, а система сопровождения по скорости, потеряв в стробе сигнал, переходит в режим поиска по частоте.
Глава 8
Главные конструкторы
Для прорыва в технике нужна плодотворная идея. Это не может быть безбрежным полётом мысли, но скорее предложением или концепцией, очерчиваемой в неких рамках и отвечающей определённым требованиям. Во-первых, новая инициатива должна касаться какой-либо из сфер деятельности человека если не в настоящем или прошлом, то в будущем. Во-вторых, новаторство не может противоречить наработанным в науке основным законам, но может их развивать, в-третьих, при всей дерзновенности выдвинутой идеи необходим предварительный расчёт тех показателей, которые определяют получение требуемого эффекта, и, наконец, в-четвёртых, предложение должно предусматривать этапы работы, выполнение которых может вывести на финишную прямую.