eng
Содержание
Предисловие редактора перевода 15
Об авторе 17
Предисловие 18
Благодарности 19
Аббревиатуры 21
Глава 1. Введение 28
1.1.
Предпосылки и мотивация 31
1.1.1.
РЛС прямой видимости 31
1.1.2.
Ограничения по зоне обнаружения 33
1.1.3.
За горизонтом 36
1.2.
Принципы работы загоризонтных радаров 39
1.2.1.
Принцип действия загоризонтных ионосферных РЛС 39
1.2.2.
Общая характеристика 44
1.2.2.1.
Среда распространения 44
1.2.2.2.
Характеристики системы 46
1.2.2.3.
Обработка сигналов и условия распространения КВ-сигналов 48
1.2.3.
Практические приложения применения 51
1.2.3.1.
Раннее обнаружение в обширной зоне наблюдения 51
1.2.3.2.
Дистанционное зондирование 54
1.3.
Основное уравнение КВ-радара 55
1.3.1.
Наклонная дальность 56
1.3.2.
Передаваемая мощность 56
1.3.3.
Усиление антенны 57
1.3.4.
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели 58
1.3.5.
Время интеграции 59
1.3.6.
Общие потери 60
1.3.7.
Постоянная распространения 60
1.3.8.
Шум окружающей среды 61
1.3.9.
Численный пример 61
1.4.
Номинальные возможности системы 62
1.4.1.
Минимальное и максимальное расстояния 63
1.4.2.
Зона выдержки интервала зондирования 65
1.4.3.
Разрешение и точность 67
ЧАСТЬ I. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 72
Глава 2. Ионосферное распространение радиоволн 72
2.1.
Ионосфера 73
2.1.1.
Исторический экскурс 74
2.1.1.1.
Ранние радиоэксперименты 74
2.1.1.2.
Предлагавшиеся физические интерпретации 74
2.1.1.3.
Радиосвязь и радиовещание 75
2.1.1.4.
Открытие ионосферы 76
2.1.1.5.
Послевоенные годы 77
2.1.2.
Образование ионосферы и ее структура 78
2.1.2.1.
Процессы, отвечающие за образование ионосферы 78
2.1.2.2.
Процессы, обуславливающие снижение концентрации свободных
электронов 80
2.1.2.3.
Образование слоя 82
2.1.3.
Области D, E и F 84
2.1.3.1.
Область D 86
2.1.3.2.
Область E 87
2.1.3.3.
Спорадический слой Е (ES ) 88
2.1.3.4.
Область F 88
2.1.3.5.
Солнечная активность 91
2.2.
Пространственная и временная изменчивость 92
2.2.1.
Вертикальное радиозондирование 93
2.2.1.1.
Плазменная и критическая частоты 94
2.2.1.2.
Фазовый и групповой показатели преломления 95
2.2.1.3.
Истинная и действующая высоты отражения 96
2.2.1.4.
Ионограмма вертикального зондирования 97
2.2.2.
Измерения и модели 100
2.2.2.1.
Климатологические модели ионосферы 100
2.2.2.2.
Влияние солнечного излучения на формирование ионизированных
слоев 101
2.2.2.3.
Слой F2 104
2.2.2.4.
Низкие и высокие широты 107
2.2.3.
Возмущения и бури 109
2.2.3.1.
Солнечные вспышки и внезапные ионосферные возмущения 110
2.2.3.2.
Выбросы коронального вещества 111
2.2.3.3.
Протонные вспышки на Солнце 112
2.2.3.4.
Геомагнитные и ионосферные бури 112
2.2.3.5.
Бегущие ионосферные возмущения 113
2.3.
Наклонное распространение 114
2.3.1.
Соотношения эквивалентности 114
2.3.2.
Двухточечные линии [связи] 117
2.3.3.
Частота, угол излучения и наземная дальность 124
2.3.3.1.
Фиксированная частота 124
2.3.3.2.
Фиксированный угол излучения 126
2.3.3.3.
Трассировка лучей 129
2.4.
Ионосферные моды 131
2.4.1.
Обыкновенная и необыкновенная волны 131
2.4.1.1.
Магнитоионное расщепление и поляризация 132
2.4.1.2.
Фарадеевское вращение 134
2.4.2.
Многолучевое распространение 136
2.4.2.1.
Режимы первого и более высокого порядка 136
2.4.2.2.
Гибридные моды 138
2.4.2.3.
Двунаправленное распространение 140
2.4.2.4.
Трансэкваториальное распространение радиоволн 142
2.4.3.
Амплитудное и фазовое замирание 143
2.4.3.1.
Амплитудное замирание 144
2.4.3.2.
Фаза и частота 146
Глава 3. Системные характеристики 147
3.1.
Предварительные соображения 148
3.1.1.
Конфигурация ЗГ РЛС и выбор мест развертывания 148
3.1.1.1.
Однопозиционные системы 149
3.1.1.2.
Двухпозиционные системы 150
3.1.1.3.
Место базирования (развертывания) 152
3.1.2.
Сигналы РЛС 153
3.1.2.1.
Классы сигналов 154
3.1.2.2.
Импульсные и непрерывные сигналы 158
3.1.2.3.
ЧМ-сигнал с линейной непрерывной модуляцией 159
3.1.3.
Внеполосное излучение 161
3.1.3.1.
Спектр линейно-частотно-модулированного непрерывного
колебания (ЛЧМНК) 162
3.1.3.2.
Методы формирования импульса 165
3.1.3.3.
Уровни боковых лепестков по дальности 167
3.2.
Архитектура РЛС 169
3.2.1.
Передающая система 169
3.2.1.1.
Антенный элемент 170
3.2.1.2.
Конструкция решетки 174
3.2.1.3.
Генерация сигналов 179
3.2.1.4.
Усиление мощности 181
3.2.2.
Приемная система 183
3.2.2.1.
Антенный элемент 183
3.2.2.2.
Конструкция решетки 187
3.2.2.3.
Гетеродинные приемники 191
3.2.2.4.
Цифровые приемники прямой обработки сигнала 198
3.2.3.
Калибровка решетки 202
3.2.3.1.
Влияние ошибок калибровки 203
3.2.3.2.
Источники внутренней калибровки 206
3.2.3.3.
Внешние калибровочные источники 209
3.3.
Управление частотой 211
3.3.1.
Оценка трассы распространения радиосигнала 213
3.3.1.1.
Ионозонд возвратно-наклонного зондирования 213
3.3.1.2.
Мини-РЛС 216
3.3.2.
Занятость каналов и шум 218
3.3.2.1.
Устройство контроля спектра 219
3.3.2.2.
Фоновый шум 220
3.3.3.
Структура ионосферного режима (моды) 222
3.3.3.1.
Ионозонды вертикального и наклонного зондирования 223
3.3.3.2.
Коэффициент рассеяния канала 225
3.4.
Историческая перспектива 227
3.4.1.
Системы настоящего и прошлого поколений 227
3.4.1.1.
ЗГ РЛС MADRE 228
3.4.1.2.
Широкоапертурная научно-исследовательская установка (WARF) 230
3.4.1.3.
AN/FPS-95 (Cobra Mist) 231
3.4.1.4.
ЗГ РЛС AN/FPS-118 232
3.4.1.5.
AN/TPS-71 (перебазируемая ЗГ РЛС) 233
3.4.2.
ЗГ РЛС Австралии 235
3.4.2.1.
GEEBUNG 236
3.4.2.2.
Фаза A ЗГ РЛС Jindalee 236
3.4.2.3.
Ступень B ЗГ РЛС Jindalee 237
3.4.2.4.
Оперативная радиолокационная сеть Jindalee (JORN — Jindalee
Operational Radar Network) 238
3.4.3.
Перспективы на будущее 239
Глава 4. Традиционная обработка 242
4.1.
Условия распространения сигналов 243
4.1.1.
Эхо-сигналы, отраженные от цели 244
4.1.1.1.
Модель точечного отражателя 245
4.1.1.2.
Эффективная площадь отражения цели 247
4.1.1.3.
Изменения комплексной амплитуды 250
4.1.2.
Мешающие отражения 253
4.1.2.1.
Мешающие отражения от земной поверхности 254
4.1.2.2.
Мешающие отражения от морской поверхности 258
4.1.2.3.
Ионосферные мешающие отражения 263
4.1.3.
Шумы и помехи 267
4.1.3.1.
Атмосферный и галактический шум 268
4.1.3.2.
Искусственные шумы и помехи 274
4.2.
Стандартные процедуры обработки 276
4.2.1.
Сжатие импульса 278
4.2.1.1.
Вытяжка 280
4.2.1.2.
Полностью цифровая реализация 284
4.2.2.
Формирование диаграммы направленности антенной решетки 286
4.2.2.1.
Диаграммы направленности антенного элемента и подрешетки 287
4.2.2.2.
Цифровое формирование ДНА 288
4.2.2.3.
Характеристики диаграммы направленности антенной решетки 294
4.2.3.
Доплеровская обработка 296
4.2.3.1.
Индикатор движущейся цели 296
4.2.3.2.
Спектральный анализ 298
4.2.3.3.
Маневрирующие цели 301
4.2.3.4.
Практические примеры 302
4.3.
Эксплуатационные аспекты 307
4.3.1.
Работа с целями в воздухе и на поверхности 308
4.3.1.1.
Несущая частота 308
4.3.1.2.
Ширина полосы частот 313
4.3.1.3.
Частота повторения импульсов 315
4.3.1.4.
Интервал когерентной обработки 317
4.3.2.
Подавление кратковременных помех 319
4.3.2.1.
Принципы и методы 320
4.3.2.2.
Примеры обработки реальных данных 322
4.3.3.
Экстраполяция данных и подбор сигналов 325
4.3.3.1.
Экстраполяция данных (DATEX) 325
4.3.3.2.
Коррекция ионосферных искажений (IDC) 327
4.3.3.3.
Примеры обработки реальных данных 330
4.4.
Обнаружение и слежение 331
4.4.1.
Обработка с постоянной частотой ложных тревог 331
4.4.1.1.
Вероятности обнаружения цели и ложной тревоги 333
4.4.1.2.
Усреднение по элементам разрешения CFAR 335
4.4.1.3.
Порядковая (ранговая) статистика 340
4.4.2.
Определение порогов и пиковое детектирование 342
4.4.3.
Отслеживание и регистрация координат 344
4.4.3.1.
Сопровождение 345
4.4.3.2.
Регистрация координат и сопоставление трасс 348
Глава 5. РЛС поверхностной волны 351
5.1.
Главные характеристики 352
5.1.1.
Принцип действия 352
5.1.1.1.
Распространение ЭМВ вдоль земной поверхности 352
5.1.1.2.
Характеристики поверхностной волны 353
5.1.1.3.
Концепция высокочастотных радаров поверхностной волны 354
5.1.2.
Архитектура и технические характеристики 356
5.1.2.1.
Описание базовой системы 357
5.1.2.2.
Уравнение радиолокации для ЗГ РЛС ВЧ ПЭВ 359
5.1.2.3.
Номинальные рабочие характеристики системы 365
5.1.3.
Практические приложения 368
5.1.3.1.
Наблюдение за надводным пространством 369
5.1.3.2.
Военное и гражданское применение 370
5.1.3.3.
Дистанционное зондирование 371
5.2.
Механизм распространения 372
5.2.1.
Малые и большие расстояния 374
5.2.1.1.
Плоская поверхность 374
5.2.1.2.
Сферическая поверхность 380
5.2.2.
Тропосферная рефракция 386
5.2.3.
Неровности поверхности и ее неоднородность 391
5.3.
Факторы окружающей среды 397
5.3.1.
Помехи отражения от морской поверхности 397
5.3.1.1.
Основные принципы 398
5.3.1.2.
Помехи отражения первого и второго класса (порядка) 404
5.3.1.3.
Влияние на эксплуатационные характеристики ЗГ РЛС ПЭВ 412
5.3.2.
Ионосферные помехи 416
5.3.2.1.
Классификация трасс распространения 417
5.3.2.2.
Распределение по дальности 418
5.3.2.3.
Доплеровские характеристики 419
5.3.2.4.
Частотная зависимость 421
5.3.2.5.
Пространственные и поляриметрические свойства 423
5.3.3.
Интерференция и шум 424
5.4.
Практическая реализация 427
5.4.1.
Конфигурация и выбор места развертывания 427
5.4.1.1.
Конфигурация РЛС 427
5.4.1.2.
Выбор местоположения (площадки) РЛС 429
5.4.2.
Подсистемы РЛС 431
5.4.2.1.
Система передачи 431
5.4.2.2.
Система приема 432
5.4.3.
Обработка сигнала и данных 434
5.4.3.1.
Снижение уровня ионосферных помех 436
5.4.3.2.
Поляризационная фильтрация 437
5.5.
Эксплуатационные соображения 438
5.5.1.
Эффективная поверхность рассеяния ЭМВ 438
5.5.1.1.
Область рэлеевского резонанса 439
5.5.1.2.
Методы моделирования 440
5.5.1.3.
Взаимовлияние между ЭПР разных целей 441
5.5.1.4.
Экспериментальные измерения 441
5.5.2.
Многочастотный режим 445
5.5.2.1.
Выбор частоты 445
5.5.2.2.
Двухчастотный режим эксплуатации 447
5.5.3.
Примеры систем 451
5.5.3.1.
Изделия Iluka и SECAR 452
5.5.3.2.
РЛС SWR-503 454
5.5.3.3.
Система BAE SWR 455
ЧАСТЬ II. ОПИСАНИЕ СИГНАЛОВ 458
Глава 6. Интерференционно-волновая модель 458
6.1.
Детерминированное описание сигналов ионосферного распространения 459
6.1.1.
Обоснование направлений исследований 459
6.1.2.
Укрупненная структура сложных волновых полей 461
6.1.3.
Тонкая структура мод 464
6.2.
Функция рассеяния канала 466
6.2.1.
Идентификация ионосферных мод 467
6.2.2.
Номинальные параметры мод 468
6.2.3.
Наблюдение тонкой структуры 472
6.3.
Разрешающая способность тонкой структуры 480
6.3.1.
Представление сигналов 480
6.3.2.
Оценка параметров 484
6.3.3.
Пространственно-временной алгоритм MUSIC 486
6.4.
Результаты экспериментов 488
6.4.1.
Предварительный анализ данных 488
6.4.2.
Точность подбора модели 493
6.4.3.
Выводы и обсуждение 497
Глава 7. Статистическая модель сигнала 498
7.1.
Стационарные процессы 499
7.1.1.
Предпосылки, возможности и область применения 499
7.1.2.
Измерения КВ-сигналов 501
7.1.3.
Расширение представлений об антенных решетках 504
7.2.
Диффузное рассеяние 506
7.2.1.
Математическое представление 507
7.2.2.
Изменяющаяся ионосферная структура 509
7.2.2.1.
Статистические данные второго порядка 509
7.2.3.
Функции автокорреляции 511
7.3.
Временные статистические характеристики 513
7.3.1.
Метод оценки параметра 514
7.3.2.
Приемочные проверки гипотез 517
7.3.3.
Предположение о пространственной однородности 521
7.4.
Пространственные и пространственно-временные статистические
характеристики 526
7.4.1.
Коэффициенты корреляции 528
7.4.2.
Средний плоский волновой фронт 532
7.4.3.
Пространственно-временная разделимость 538
Глава 8. Имитатор КВ-канала 544
8.1.
Точечные и распределенные источники 544
8.1.1.
Традиционные модели обработки антенных решеток 545
8.1.2.
Когерентные и некогерентные распределения лучей 546
8.1.3.
Определение параметров распределенных сигналов 547
8.2.
Обобщенная модель Уоттерсона 549
8.2.1.
Математическая постановка и интерпретация 549
8.2.2.
Временные и пространственные флуктуации 552
8.2.3.
Ожидаемые статистики второго порядка 554
8.3.
Методы параметрической оценки 556
8.3.1.
Стандартные процедуры идентификации 557
8.3.2.
Алгоритм согласованного фильтра MF MUSIC 558
8.3.3.
Метод нахождения корней полинома 561
8.4.
Приложение к реальным данным 564
8.4.1.
Метод наименьших квадратов замкнутой формы 565
8.4.2.
Метод подпространств 569
8.4.3.
Выводы и обсуждение 572
Глава 9. Анализ способов подавления помех 574
9.1.
Сглаживание шумов и помех 575
9.1.1.
Пространственная обработка 575
9.1.2.
Известные методы 576
9.1.3.
КВ-приложения 578
9.2.
Стандартный метод адаптивного формирования диаграммы направленности 580
9.2.1.
Метод обратной матрицы отсчетов 580
9.2.2.
Практическая реализация схем 581
9.2.3.
Альтернативный подход, учитывающий временную зависимость 585
9.3.
Анализ мгновенных показателей 586
9.3.1.
Сбор реальных данных 586
9.3.2.
Анализ характеристик на интервале ИКО (CPI) 587
9.3.3.
Повышение ОСПШ на выходе 590
9.4.
Статистический анализ показателей 591
9.4.1.
Базовые схемы 591
9.4.2.
Пакетные периодические схемы 593
9.4.3.
Эксплуатационные проблемы 595
9.5.
Моделирование прогнозируемых показателей 595
9.5.1.
Параметры многоканальной модели 595
9.5.2.
Влияние искажений волнового фронта 596
9.5.3.
Выводы и обсуждение 598
ЧАСТЬ III. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ 600
Глава 10. Технология адаптивного формирования диаграммы направленности 600
10.1.
Основные понятия 601
10.1.1.
Оптимальные и адаптивные фильтры 601
10.1.2.
Однородный гауссов случай 605
10.1.2.1.
Адаптивное обучение с использованием согласованного полезного
сигнала 606
10.1.2.2.
Адаптивное обучение при использовании несогласованного
полезного сигнала 607
10.1.2.3.
Неадаптивное обучение с согласованным полезным сигналом 609
10.1.2.4.
Неадаптивное обучение при несогласованности полезного сигнала 611
10.1.2.5.
Производительность оптимального фильтра 612
10.1.3.
Работа в реальных условиях 613
10.1.3.1.
Амплитудная и спектральная несогласованность 613
10.1.3.2.
Выбор обучающих данных 615
10.1.3.3.
Методы работы в условиях недостатка выборок 616
10.2.
Постановка задачи 617
10.2.1.
Снижение интерференции и местных помех от отражений 618
10.2.2.
Модель многоканальных данных 619
10.2.2.1.
Внешние помехи (интерференция) 619
10.2.2.2.
Помехи отражений 621
10.2.3.
Стандартное адаптивное формирование диаграммы направленности 623
10.3.
Изменяющиеся по времени (нестационарные) методы 625
10.3.1.
Стохастические ограничения 626
10.3.2.
Нестационарная пространственная адаптивная обработка 627
10.3.2.1.
Альтернативный алгоритм TV-SAP 628
10.3.2.2.
Сложность вычислений 630
10.3.3.
Экспериментальные результаты 632
10.3.3.1.
Обычное и изменяющееся во времени SMI-MVDR-формирование
диаграммы направленности 633
10.3.3.2.
Изменяющееся по времени (нестационарное) LSMI-MVDR-
формирование диаграммы направленности 636
10.3.3.3.
Применение TV-SAP-метода с ограничениями, управляемыми
данными 638
10.3.3.4.
Сравнение со стохастическими ограничениями 640
10.4.
Постдоплеровские методы 645
10.4.1.
Практическое применение 645
10.4.1.1.
Пассивная радиолокация 646
10.4.1.2.
PCL-система загоризонтных ВЧ-РЛС 648
10.4.1.3.
Обычная схема обработки сигнала 652
10.4.2.
Зависящее от дальности адаптивное формирование диаграммы
направленности 654
10.4.2.1.
Традиционное адаптивное формирование диаграммы
направленности 655
10.4.2.2.
RD-SAP-метод постдоплеровской обработки 656
10.4.3.
Развернутый анализ данных 660
10.4.3.1.
Эмпирические характеристики работающего приемника 661
10.4.3.2.
Распределение обнаружений 662
10.4.3.3.
Индикация отслеживания начала траектории цели 665
Глава 11. Пространственно-временная адаптивная обработка 668
11.1.
Архитектура STAP 669
11.1.1.
STAP в области медленного времени 670
11.1.2.
STAP в области быстрого времени 672
11.1.3.
3D-STAP 675
11.2.
Модель данных 677
11.2.1.
Композитный сигнал 677
11.2.2.
«Холодные» помехи 679
11.2.3.
«Горячие» помехи 682
11.3.
Методы подавления помех 686
11.3.1.
Стандартные схемы 687
11.3.1.1.
Линейные детерминированные ограничения 688
11.3.1.2.
Не изменяющаяся по времени (стационарная) STAP 690
11.3.1.3.
Алгоритм STAP без ограничений 691
11.3.1.4.
Относительные достоинства и недостатки STAP 691
11.3.2.
Альтернативные процедуры 692
11.3.2.1.
Алгоритм STAP со стохастическими ограничениями (SC-STAP) 693
11.3.2.2.
Изменяющийся во времени алгоритм STAP (TV-STAP) 696
11.3.3.
Результаты моделирования 700
11.3.3.1.
Подавление «горячих» помех 701
11.3.3.2.
Обработка «холодных» помех 703
11.3.3.3.
Схемы для практического применения 705
11.4.
Реализация алгоритма STAP для постдоплеровских частот 708
11.4.1.
Описание алгоритма 709
11.4.2.
Экспериментальные результаты 716
11.4.2.1.
Отображение дальности и доплеровского сдвига цели 718
11.4.2.2.
Сигнатура доплеровского сдвига по времени 720
11.4.3.
Заключение 722
Глава 12. Схемы обнаружения с помощью обобщенного критерия отношения
правдоподобия (GLRT — Generalized Likelihood-Ratio Test) 725
12.1.
Постановка задачи 726
12.1.1.
Предпосылки и формулировка задачи 727
12.1.2.
Традиционные критерии проверки гипотез 731
12.1.3.
Альтернативные бинарные критерии 735
12.1.3.1.
Обобщенные критерии одновременной проверки нескольких
гипотез (GMHT — Generalized Multi-Hypothesis Tests) 737
12.2.
Модели измерений 738
12.2.1.
Процесс возникновения помех 738
12.2.1.1.
Однородный гауссов случай 739
12.2.1.2.
Смешанная гауссова модель 739
12.2.1.3.
Сферически инвариантный случайный процесс (SIRP) 740
12.2.2.
Полезный сигнал 742
12.2.2.1.
Отметка дискретной цели 742
12.2.2.2.
Расширенные полезные сигналы 743
12.2.2.3.
Распределенные полезные сигналы 746
12.2.3.
Когерентная интерференция 748
12.3.
Схемы обработки 750
12.3.1.
Одно- и двухэтапные методы GLRT 750
12.3.1.1.
Метод GLRT, предложенный Kelly 751
12.3.1.2.
Адаптивный согласованный фильтр (AMF) 752
12.3.1.3.
Альтернативное выражение для GLRT 753
12.3.2.
Частично однородный случай 754
12.3.2.1.
Aдаптивное устройство оценки когерентности (ACE) 754
12.3.2.2.
Адаптивный детектор подпространства
(ASD — Adaptive Subspace Detector) 754
12.3.2.3.
Обобщенные детекторы подпространства
(GSD — Generalized Subspace Detectors) 755
12.3.3.
Обнаружение целей на совместном множестве данных 759
12.3.3.1.
Однородный случай 759
12.3.3.2.
Мультиранговые сигналы и частично однородные помехи 763
12.4.
Практическое применение 766
12.4.1.
Пространственная обработка 766
12.4.1.1.
Эксперимент на РЛС Jindalee 766
12.4.1.2.
Эксперимент на загоризонтной РЛС Iluka 774
12.4.2.
Временная обработка 779
12.4.3.
Комбинированные методы 783
Глава 13. Оценка сигнала слепыми методами 786
13.1.
Постановка задачи 787
13.1.1.
Модель многолучевости 788
13.1.1.1.
Принимаемый сигнал 790
13.1.1.2.
Локализованное рассеяние 792
13.1.1.3.
Данные принятых сигналов 793
13.1.1.4.
Множественные источники 795
13.1.2.
Цели обработки 796
13.1.2.1.
Оценка сигнала 796
13.1.2.2.
Оценка канала 798
13.1.2.3.
Основные предположения и допущения 799
13.1.3.
Пример для объяснения 800
13.2.
Стандартные методы 802
13.2.1.
Слепой метод идентификации системы 802
13.2.2.
Слепое разделение сигнала 806
13.2.2.1.
Методы на основе многообразия 809
13.2.2.2.
Методы на основе знаний параметров источника 811
13.2.3.
Выводы 811
13.3.
Алгоритм GEMS 812
13.3.1.
Обработка при отсутствии шума 812
13.3.1.1.
Единичный источник 813
13.3.1.2.
Множественные источники 816
13.3.1.3.
НКР-модель 818
13.3.2.
Порядок работы 819
13.3.3.
Вычислительная сложность 823
13.4.
Эксперимент SIMO 826
13.4.1.
Сбор данных 827
13.4.2.
Методы копирования сигнала 829
13.4.3.
Применение алгоритма GEMS 831
13.4.3.1.
Оценка сигнала с помощью алгоритма GEMS 831
13.4.3.2.
Оценка волнового фронта с помощью алгоритма GEMS 834
13.4.3.3.
КР и НКР волновые фронты 836
13.5.
MIMO-эксперимент 837
13.5.1.
Сбор данных 838
13.5.2.
Разделение сигнала по источникам и многолучевости 839
13.5.3.
Радиолокационные приложения 841
13.6.
Однопозиционная геолокация 844
13.6.1.
Предпосылки и мотивация 844
13.6.2.
Сбор данных 847
13.6.3.
Метод геолокации 849
13.6.3.1.
Фазовые измерения 849
13.6.3.2.
Измерения временной задержки 852
13.6.3.3.
Комбинированные измерения 854
13.6.4.
Заключение и планы на будущее 855
ЧАСТЬ IV. ПРИЛОЖЕНИЯ И ЛИТЕРАТУРА 856
Приложение A. Распределение выборочной АКП 856
Приложение В. Пространственно-временная разделимость 861
Приложение С. Модальное разложение 863
Литература 865
Предметный указатель 906
Предисловие редактора перевода
Уважаемые читатели!
Представляемая вашему вниманию книга посвящена интереснейшей проблеме современ-
ной радиолокации — проектированию и разработке загоризонтных РЛС. Ее автор Джу-
зеппе А. Фабрицио является крупным и весьма авторитетным экспертом в области про-
ектирования таких радиолокаторов. Работая в Организации оборонной науки и техники
(DSTO — Defense Science and Technology Organization) Австралии, занимая должность ве-
дущего научного сотрудника отдела адаптивной обработки сигналов в подразделении, за-
нимающемся загоризонтной радиолокацией, Дж. А. Фабрицио посвящает много времени
исследованиям и разработкам новых методов и алгоритмов обработки информации. Сле-
дует отметить, что Австралия достаточно давно и небезуспешно занимается проблемати-
кой загоризонтной радиолокации, имеет определенные успехи в разработках ЗГ РЛС, хотя
«монополизм» России и США в этой отрасли будет сохраняться достаточно долго, по край-
ней мере ближайшие 20–30 лет.
Несмотря на то что книга написана несколько лет назад, выпуск ее русского перево-
да несколько задержался. Это связано с целым рядом обстоятельств. Во-первых, издатель-
ство не до конца было уверено в том, что перевод будет пользоваться спросом: проблемами практического применения загоризонтной радиолокации в России занимается небольшое число научно-производственных компаний. Однако неожиданный успех вышедшей в начале 2017 года монографии В. Ф. Акимова и Ю. К. Калинина «Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов» под редакцией С. Ф. Боева показал востребованность серьезных публикаций по этой проблематике и стимулировал ускорение работы по подготовке перевода.
Интересно отметить, что книга Дж. Фабрицио не может считаться какой-либо альтер-
нативой монографии российских авторов. Совместный анализ обоих изданий показыва-
ет, что они хорошо дополняют друг друга: в российской монографии упор сделан на рас-
смотрение физических основ и принципов проектирования загоризонтных РЛС, книга
Дж. Фабрицио посвящена в значительной степени вопросам обработки информации (сиг-
налы, первичная обработка, вторичная обработка и т. д.). Таким образом, это «двухкни-
жие» представляет собой великолепное справочное пособие по проектированию и разра-
ботке загоризонтных радиолокаторов, по сути дела, «настольную книгу» как для главного
конструктора, так и для всех ведущих разработчиков.
Знакомство с книгой Дж. Фабрицио, на наш взгляд, будет полезно и для начинающих
инженеров, и для зрелых специалистов. В частности, прочитав эту книгу, любой инженер,
интересующийся радиоинформационными технологиями, поймет, насколько интересна,
обширна и, видимо, неисчерпаема тематика загоризонтной радиолокации. Имеющий-
ся (в первую очередь в России и США) практический опыт создания загоризонтных РЛС
показал их перспективность для решения целого ряда специальных, научных и народно-
хозяйственных задач. Вместе с тем этот опыт показал, что многие научно-технические
проблемы, решенные разработчиками загоризонтных РЛС на инженерном уровне и, воз-
можно, неоптимальным образом, требуют научного «осмысления» и оптимизации. Прин-
ципиальная задача — обеспечение эффективной работы РЛС в условиях воздействия ре-
альной среды распространения радиоволн, похоже, является задачей для радиофизиков
«на все времена». Остается множество вопросов, касающихся антенной техники, повы-
шения информационно-энергетических характеристик, выбора наиболее эффективных
параметров зондирующих сигналов. Наконец, «вечная» проблема — проблема обработки
информации и максимизации объема информации, получаемой от загоризонтных РЛС.
Все это дает основания полагать, что книга Дж. Фабрицио — не последняя работа по про-
блематике загоризонтной радиолокации.
Хотелось бы отметить одну проблему, с которой пришлось столкнуться в ходе подготов-
ки перевода книги. Дело в том, что, видимо, вследствие недостаточной координации между
разработчиками разных стран сложившаяся терминология по этому научно-техническому
направлению в нашей стране и за рубежом не совпадает. В связи с этим хочется заранее
принести извинения за те возможные неточности, которые читатели, особенно те, которые
знакомы с рассматриваемой проблематикой, могут встретить на страницах переводного
издания. Уверены, что эти возможные неточности не приведут к искажению физической
сущности рассматриваемых вопросов и не запутают читателей.
В заключение хочется выразить большую благодарность целому ряду специалистов,
поработавшим над переводом и над его последующим редактированием: Ф. Ф. Евстратову,
В. А. Собчуку, В. Ф. Акимову, Ю. К. Калинину, Т. А. Колосовой, А. В. Морозу, и некоторым
другим специалистам АО «РТИ», НИИДАРа, РТИ им. А. Л. Минца. Уверены, что это из-
дание послужит не одному поколению российских ученых и инженеров, работающих в об-
ласти загоризонтной радиолокации и радиолокации в целом!
Доктор технических наук,
доктор экономических наук, профессор,
лауреат Государственной премии С. Ф. Боев.
Кандидат технических наук, доцент Д. Д. Ступин
Об авторе
Джузеппе Аурелиано Фабрицио в 1992 году получил с отличием степень бакалавра, а в 2000 — степень доктора наук факультета электротехники и электронной техники университета Аделаиды, Австралия. С 1993 года д-р Фабрицио работает в научно- исследовательском институте Министерства обороны Австралии
(DSTO — Defence Science and Technology Organization), в котором осуществляет научное руководство по средствам электронной борьбы (EW) и адаптивной обработке сигналов в отделении КВ- радиолокации. Д-р Фабрицио отвечает за разработку и практическую реализацию инновационных и надежных методов адаптивной
обработки сигналов, работает над повышением эксплуатационных характеристик современных радиолокационных загоризонтных систем. Он старший член Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineer) и автор более 50 научных публикаций в журналах и трудах конференций. Д-р Фабрицио был дважды (в 2003 и 2004 гг.) годах удостоен престижной премии М. Барри Карлтона (M. Barry Carlton) за лучшую статью года, опубликованную в журнале IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам (AES). В 2007 году он стал лауреатом почетной премии DSTO в знак признания его вклада в адаптивную обработку сигналов загоризонтной радиолокационной сети JORN
(Jindalee Operational Radar Network). В том же году он получил грант научного оборонно-
го общества DSTO на проведение совместных исследований в университете La Sapienza
в Риме, Италия. Д-р Фабрицио вел учебные семинары по загоризонтной радиолокации
на конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году, и на Междуна-
родной конференции IEEE по радиолокации 2010 года в Вашингтоне. Он представитель
Австралии в Международной секции радиолокационных систем IEEE, а в настоящее вре-
мя занимает пост вице-президента по образованию в Совете управляющих Общества аэро-
космических и электронных систем AESS (Aerospace and Electronic Systems Society). Д-р
Фабрицио сотрудничает с международными оборонными ведомствами в рамках Мемо-
рандума о взаимопонимании и является национальным представителем в исследователь-
ской группе НАТО по вопросам динамического разделения сигналов (DWD — Dynamic
Waveform Diversity) (SET-179). Он также официально сотрудничает с промышленностью,
в том числе с Raytheon, Lockheed Martin и BAE Systems, а также с многочисленными на-
учными институтами как в Австралии, так и за рубежом. В 2011 году за вклад в развитие
загоризонтной радиолокации и обработки радиолокационных сигналов д-р Фабрицио
был удостоен премии IEEE в области радиолокации в честь Фреда Натансона. Он подго-
товил первое издание High Frequency Over-the-Horizon Radar: Fundamental Principles, Signal
Processing, and Practical Applications («Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение»), которое дополняет существующую литературу по радиолокации и может стать основой для дальнейших исследований в данной области.
С любовью посвящаю памяти моего отца и моей семье
Предисловие
В отличие от множества монографий, посвященных радиолокации в микроволновом диа-
пазоне, до сих пор только одна работа была посвящена исключительно теме коротковол-
новой загоризонтной радиолокации. Это книга «Основы загоризонтной радиолокации»,
изданная под редакцией А. А. Колосова, изначально опубликованная на русском языке
(«Радио и связь», 1984), а затем переведенная на английский язык Бартоном (W. F. Barton,
Artech House, Norwood, MA, 1987). До сих пор эта монография содержит множество цен-
ной информации, но ее содержание не обновлялось со времени первого издания и поэтому
не охватывает тот огромный прогресс, который достигнут в области загоризонтной радио-
локации в течение двух последних десятилетий.
В главе, посвященной загоризонтной радиолокации, в авторитетном издании «Спра-
вочника по радиолокации»1 под редакцией М. Сколника и в соавторстве с Дж. Хедриком
и С. Андерсоном (3-е издание, McGraw-Hill, 2008) дан превосходный обзор основных
понятий, но ограниченный объем главы неминуемо снизил глубину трактовки, что, воз-
можно, наиболее заметно в области обработки сигналов, которая играет ключевую роль
в повышении качественных показателей современных загоризонтных радиолокационных
систем. Учитывая сильный всплеск интереса к системам загоризонтного радионаблюдения
в международном радиолокационном сообществе, включая оборонную, коммерческую
и научную сферы, вполне уместно и своевременно изложить информацию о значительных
успехах в загоризонтной радиолокации, которые произошли за последние 20 лет, чему полностью посвящено настоящее издание.
Основная цель данной книги состоит в том, чтобы представить новейшие достижения
в области загоризонтных радиолокационных систем (ЗГ РЛС). При этом основное внима-
ние уделено подробному описанию методов и моделей обработки сигналов, которые в зна-
чительной степени способствовали внедрению самых современных технологий в ЗГ РЛС,
но недостаточно подробно изложены в существующей литературе. Настоящее издание на-
правлено на преодоление этого разрыва. Книга отличается цельностью изложения и вклю-
чает описание основных принципов проектирования и эксплуатации ЗГ РЛС на более до-
ступном уровне для читателей, не имеющих предварительных знаний в данной области.
При этом сделана попытка объединить большое количество ранее разобщенных публика-
ций по теме ЗГ РЛС и адаптивной обработки сигналов на единой платформе, используя
обширный список цитирования с тем, чтобы показать связи между многочисленными тео-
ретическими и экспериментальными работами, опубликованными в этих областях.
Отличительная особенность данной книги заключается в удачном включении экспе-
риментальных результатов, полученных при практической эксплуатации ЗГ РЛС, исполь-
зующих ионосферное распространение и поверхностные волны, для иллюстрации прак-
тических применений методов обработки данных. Ожидается, что этот аспект книги будет
представлять интерес для научных сотрудников и инженеров, желающих получить более
детальное представление о данной технологии, а также для инженеров-практиков и иссле-
дователей, заинтересованных в разработке надежных алгоритмов обработки сигналов для
реальных систем. Хотелось бы надеяться, что эта книга также вызовет энтузиазм у молодых
ученых и инженеров при изучении проблем ЗГ РЛС и радиолокации в целом.
Благодарности
Возможность написать эту книгу и представить ее международному радарному сообще-
ству — большая честь для автора, ведь это была совместная работа с исключительно та-
лантливой командой ученых, инженеров и профессионалов в Научно-исследовательском
институте Министерства обороны Австралии (DSTO). Особую признательность за под-
держку данного проекта автор хотел бы выразить руководителю службы технической раз-
ведки и наблюдения ISRD (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division) д-ру Тони
Линдсею (Dr. Tony Lindsay). Также хочется искренне поблагодарить научного руководителя
направления ЗГ РЛС д-ра Гордона Фрейзера (Dr. Gordon Frazer) и руководителя группы
обработки и распространения сигналов д-ра МайкаТарли (Dr. Mike Turley) за их многолет-
нюю поддержку этой работы и ее автора.
С особой теплотой хотелось бы поблагодарить бывшего руководителя ISRD д-ра Мал-
колма Голли (Dr. Malcolm Golley) за доверие, оказанное автору, когда он, будучи моло-
дым инженером, решил получить докторскую степень в области адаптивной обработки
в ЗГ РЛС. Поддержка этих исследований д-ром Голли и его вдохновляющее руководство
способствовали профессиональному росту автора. Также нельзя не отметить проф. Дага
Грея (Prof. Doug Gray), проф. Юрия Абрамовича (Prof. Yuri Abramovich) и проф. Стюарта
Андерсона (Prof. Stuart Anderson), которые были наставниками автора все эти годы. Так,
в основе большинства исследований, описанных во II части книги, лежат направления,
впервые предложенные проф. Абрамовичем.
Работа над этой книгой велась при активной поддержке со стороны коллеги и друга
автора — проф. Алонсо Фарина (Prof. Alfonso Farina). Продолжительное и успешное тех-
ническое сотрудничество с проф. Фарина стало большой удачей для автора. Автор также
благодарен проф. Фарина за проведение совместных исследований по программе оборон-
ной науки в Италии и организацию первого учебного семинара по загоризонтной радио-
локации в рамках конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году.
Это стало исключительно благоприятной возможностью для формирования основной
структуры книги. И, что самое важное, автор глубоко признателен проф. Фарина как свое-
му учителю в профессии за его мудрое наставничество.
В написании книги очень помогло использование материалов, предоставленных мно-
жеством бывших и настоящих сотрудников ISRD. Автор благодарен нескольким коллегам
по DSTO за экспертную проверку отдельных разделов; в частности, ценные рекомендации
были получены от д-ра Тони Линдсея, д-ра Майка Тарли, д-ра Тревора Харриса (Dr. Trevor
Harris), д-ра Мануэля Сервера (Dr. Manuel Cervera), Марка Тайлера (Mr. Mark Tyler), д-ра
Девида Холдсворта (Dr. David Holdsworth), д-ра Джастина Прашифка (Dr. Justin Praschifka)
и д-ра Линдона Дарбриджа (Dr. Lyndon Durbridge). Особо хочется отметить помощь Ника
Спенсера (Mr. Nick Spencer) в правке корректуры некоторых разделов. Также автор при-
знателен Бретту Норсею (Mr. Brett Northey), Девиду Незервею (Dr. David Netherway) и д-ру
Эндрю Хейтману (Dr. Andrew Heitmann) за предоставление некоторых данных об окружаю-
щей среде. С особой теплотой хотелось бы поблагодарить Керри Бернс (Ms. Kerry Barnes)
и Ли Хейс (Ms. Lee Hayes) за их ценную помощь в наборе текста и проверке некоторых
ссылок.
Автор благодарен всем глубокоуважаемым внешним рецензентам за конструктивные
комментарии. В частности, отзывы по отдельным главам и техническим направлениям лю-
безно предоставили д-р Райан Риддолз (Dr. Ryan Riddolls) из научно-исследовательского
подразделения Министерства обороны Канады (Defence Research and Development,
Canada), проф. Ларри Марпл (Prof. Larry Marple, Georgia Tech Research Institute), д-р Де-
вид Эмери (Dr. David Emery, BAE Systems), д-р Джеффри Сан Антонио (Dr. Geoff rey San
Antonio, Naval Research Laboratory), д-р Фред Ирл (Dr. Fred Earl, National Systems), д-р Бен
Джонсон (Dr. Ben Johnson, Lockheed Martin), д-р Джим Барнум (Dr. Jim Barnum, SRI
International), д-р Дональд Беррик (Dr. Donald Barrick, Codar Ocean Sensors) и д-р Л. Дж.
Никич (Dr. L. J. Nickisch, Northwest Research Associates).
Как автору, так и его книге много дало общение с коллегами из широких научных кру-
гов, работающими в сфере радиолокации и обработки сигналов. В частности, автор вы-
соко ценит дружбу и сотрудничество с проф. Алексом Гершманом (Prof. Alex Gershman),
проф. Фульвио Гини (Prof. Fulvio Gini) и проф. Луи Шарфом (Prof. Louis Scharf), благодаря
которым были разработаны методы обработки сигналов в РЛС, описанные в данной кни-
ге. Также хочу поблагодарить проф. Хью Гриффитса (Prof. Hugh Griffiths), д-ра Брахема
Хаймда (Dr. Braham Himed), проф. Германа Ролинга (Prof. Hermann Rohling), д-ра Билла
Мелвина (Dr. Bill Melvin), проф. Дона Синнота (Prof. Don Sinnott) и проф. Криса Бейкера
(Prof. Chris Baker) за обмен ценными знаниями и опытом на международных конференци-
ях и постоянную поддержку.
Автор искренне благодарен ответственному редактору издательства McGraw-Hill
Professional Венди Ринальди (Ms. Wendy Rinaldi) и всей редакционной команде за отличную
организацию работы над книгой. И, наконец, автор с любовью благодарит свою жену Лу-
крецию за ее стойкость, поддержку и терпение, особенно после переезда в Австралию с но-
ворожденным сыном Леонардо. Без ее помощи и ободрения текст книги никогда не был бы
готов в сроки, установленные планом подготовки к публикации.
Аббревиатуры
ABORT Adaptive Beamformer Orthogonal Rejection Test, многоранговый вариант кри-
терия ортогонального подавления помех в адаптивном формирователе диа-
граммы направленности
ACS Auto-Correlation Sequence, автокорреляционная последовательность (АКП)
ACF Auto-Correlation Function, автокорреляционная функция (АКФ)
ACE Adaptive Coherence Estimator, адаптивное устройство оценки когерентности
ADC Analog-to-Digital Converter, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
AEW Airborne Early-Warning, бортовые радары дальнего радиолокационного обна-
ружения
AF Ambiguity Function, функция неопределенности (ФН)
AGC Automatic Gain Control, автоматическая регулировка усиления (АРУ)
AGW Acoustic Gravity Waves, акустико-гравитационные волны (АГВ)
AIS Automated Identifi cation System, система автоматизированной идентифика-
ции (САИ)
AMF Adaptive Matched Filter, адаптивный согласованный фильтр
APES Amplitude and Phase Estimation, оценка амплитуды и фазы
APEX Aperture Extrapolation, экстраполяции апертуры
AR Auto-Regressive, авторегрессионные модели (АР)
ARD Azimuth-Range-Doppler, азимут — дальность — доплеровский сдвиг
ARMA Auto-Regressive Moving-Average, авторегрессионная модель скользящего
среднего (АРСС)
ARO ARithmetically Oriented, арифметические операции
ART Analytical Ray-Tracing, метод аналитической трассировки
ASD Adaptive Subspace Detector, адаптивный детектор подпространства
ATC Air traffic Control, управление воздушным трафиком
BANDEX Bandwidth Extrapolation, экстраполяции полосы частот
BMD Ballistic Missile Defence, противоракетная оборона (ПРО)
BPL Broadband over Power Lines, широкополосный доступ к сети Интернет по ли-
ниям электропередачи
BRD Beam-Range-Doppler, луч дальности и доплеровских частот
BSI Blind System Identifi cation, «слепые» методы идентификации системы
BSS Blind Signal Separation, «слепое» разделения сигнала
BSS Backscatter Sounder, устройство приема обратно рассеянных сигналов
BTL Basic Transmission Loss, потери мощности (излучения) / основные потери
распространения
СА Сell-Averaging, усреднение по элементам разрешения
CCIR International Radio Consultative Committee, Международный консультатив-
ный комитет по радиосвязи (МККР)
CD Coherently Distributed, когерентно распределенный (КР)
CFAR Constant False-Alarm Rate, постоянный уровень ложных тревог
CH Chain Home, РЛС Англии 1938 г., считается первым военным радаром
CIT Coherent Integration Time, время когерентного накопления
CMD Cross Modulation Distortion, интермодуляционное искажение
CME Coronal Mass Ejections, корональные выбросы массы (КВМ)
CNR Clutter-to-Noise Ratio, отношение мешающего, паразитного отражения
к помехе
CODAR Coastal Ocean Dynamics Application Radar, зондирование прибрежных океан-
ских вод
COFDM Сoded Orthogonal Frequency Division Multiplex, кодированные сигналы с орто-
гональным частотным разделением каналов
CPI Coherent Processing Interval, интервал когерентной обработки (ИКО)
CR Coordinate Registration, регистрация координат (РК)
CSF Сhannel Scattering Function, функция рассеяния канала (ФРК)
CSSIP Centre for Sensor Signal and Information Processing, центр обработки информа-
ции и сигналов
CTB Сonventional Тapered Вeamformer, формирователь диаграммы направлен-
ности
CUT Cell Under Test, тестируемый элемент разрешения
CW Continuous Wave, непрерывный сигнал
DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, Агентство передовых оборонных
исследовательских проектов
DATEX Data Extrapolation, экстраполяция данных
DAB Digital Audio Broadcasts, цифровая аудиотрансляция
DDCs Digital Down Converters, цифровые понижающие преобразователи (ЦПП)
DDRx Direct Digital Receiver, приемник прямой цифровой обработки (ППЦО)
DFT Discrete Fourier Transform, дискретное преобразование Фурье (ДПФ)
DIR Dwell Illumination Region, область обзора, одновременно покрываемая лучом
DND Department of National Defence, Министерство обороны Канады
DOA Direction of Arrival, направление прихода сигнала
DOF Degrees of Freedom, степени свободы
DOSE Direction-of-Arrival by Signal Elimination, алгоритм определения направления
прихода сигнала
DSTO Defence Science and Technology Organization, Научно-исследовательский ин-
ститут Министерства обороны Австралии
DVB-T Digital Video Broadcasts Terrestrial, цифровая наземная видеотрансляция
DWD Dynamic Waveform Diversity, динамическое разделение сигналов
DWI Direct-Wave Interference, помехи прямой волны
ECA Extensive Cancelation Algorithm, алгоритм обширного гашения луча
EEZ Exclusive Economic Zone, эксклюзивная экономическая зона
EKF Extended Kalman Filter, расширенный фильтр Калмана
ELF Extremely Low Frequency, широкий спектр частот
EM Electromagnetic, электромагнитное окружение
EMI Electromagnetic Interference, электромагнитные помехи
EMC Electromagnetic Compatibility, электромагнитная совместимость (ЭМС)
ESB Earth Surface Backscatter, обратное рассеяние от земной поверхности
EUV Extreme Ultra-Violet, коротковолновое ультрафиолетовое излучение (КУФ)
EW Electronic Warfare, радиоэлектронная борьба (РЭБ)
FA Fitting Accuracy, точность приближения
FDTD Finite-Diff erence Time-Domain, конечно-разностный временной метод
FFT Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье (БПФ)
FIR Finite Impulse Response, конечная импульсная характеристика (КИХ)
FIR-MIMO Finite Impulse Response Multiple-Input Multiple-Output, конечная импульсная
характеристика с несколькими входами и выходами
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave, сигналы с линейной частотной моду-
ляцией (ЛЧМ-сигнал)
FMS Frequency Management System, система управления частотой
GAM Generalized Array Manifolds, обобщенные многообразия массива
GEMS Generalized Estimation of Multi path Signals, алгоритм обобщенной оценки
многолучевых сигналов
GEP Generalized Eigenvalue Problem, поиск собственных значений
GFB Go Fast Boats, обнаружение и сопровождение маломерных быстроходных су-
дов
GIP General IzedInner Product, обобщенное скалярное произведение
GLRT Generalized Likelihood-Ratio Test, обобщенное отношение правдоподобия
GNN Global Nearest Neighbor, глобальный поиск ближайшего соседа
GMHT Generalized Multi-Hypothesis Tests, обобщенные критерии одновременной
проверки нескольких гипотез
GOCA Greatest-Of-Cell-Averaging, усреднение по элементам и определение наиболь-
шего значения
GRT Gross Registered Tonnage, брутто-регистрированное водоизмещение
GSD Generalized Subspace Detectors, обобщенные детекторы подпространства
GWM Generalized Watterson Model, обобщенная модель Уоттерсона
HF High-Frequency, кВ (коротковолновый) VHF/ОКВ
HFSW High-Frequency Surface-Wave, ЗГ РЛС-ВЧ ПЭВ (загоризонтная станция по-
верхностной электромагнитной волны)
HOS Higher Order Statistics, статистика более высокого порядка
HPA High-Power Amplifi er, усилители мощности
HPF High-Pass Filter, фильтр высоких частот (ФВЧ)
I-MIMO Instantaneous Multiple-Input Multiple-Output, мгновенная система с несколь-
кими входами и несколькими выходами (мгновенный метод пространствен-
ного кодирования сигнала)
I/Q In-phase and Quadrature, синфазный и квадратурный
ID Incoherently Distributed, некогерентно распределенный (НКР)
IDC Ionospheric Distortion Correction, коррекция ионосферных искажений
IGY International Geophysical Year, международный геофизический год (МГГ)
IID Independent and Identically Distributed, независимые и одинаково распреде-
ленные
IIR Infi nite-Impulse-Response, бесконечная импульсная характеристика (БИХ)
IMD Intermodulation Distortion, интермодуляционное искажение
IMM Interactive Multiple Model, интерактивная многорежимная модель
IMS Integrated Maritime Surveillance, обзор морского пространства
INE Impulsive Noise Excision, устранение импульсных шумов
INR Interference to Noise Ratios, отношение помехи к шуму (ОПШ)
IQML Quadratic Maximum Likelihood, итерационный метод квадратичного макси-
мального правдоподобия
IRI International Reference Ionosphere, международная стандартная модель ионо-
сферы (IRI-модель)
ISRD Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division, Служба технической
разведки и наблюдения
ITU International Telecommunications Union, Международный союз электросвязи
(МСЭ)
JFAS Jindalee Facility Alice Springs, загоризонтная радарная система (установка
Jindalee в Элис-Спрингс)
JDS Joint-Data Set, совместное множество данных
JORN Jindalee Operational Radar Network, действующая сеть радаров Jindalee
JPDA Joint Probabilistic Data Association, совместное сопоставление вероятностных
данных
KRPs Known Reference Points, известные опорные точки, ориентир или репер
LF Low Frequency / VLF, Very Low Frequency, низкая частота / очень низкая ча-
стота, НЧ/ОНЧ
LFMCW Linear Frequency-Modulated Continuous Waveform , непрерывный линейный
частотно-модулированный сигнал (ЛЧМ-сигнал)
LCMV Linearly Constrained Minimum Variance, критерий оптимизации с линейно
ограниченной минимальной дисперсией
LMS Least-Mean-Square, алгоритм наименьших квадратов
LNA Low-Noise Amplifi er, малошумящий усилитель (МШУ)
LO Local Oscillator, гетеродин
LOS Line-Of-Sight, прямая видимость
LPF Low-Pass Filter, фильтр нижних частот (ФНЧ)
LPDA Log Periodic Dipole Arrays, логопериодические дипольные антенные решетки
(ЛПДА)
LRT Likelihood-Ratio Test, критерий отношения правдоподобия
LSMI Loaded Sample-Matrix Inverse, инверсии диагонально нагруженной матрицы
выборок
LT LocalTime, местное время (МВ)
MBC Main-Beam Cancelation, подавление главного лепестка
MF Medium Frequency, средние частоты сигналов
MF Matched-field, согласованный фильтр
MFA Model-Fitting Accuracy, относительная точность приближения
MHT Multiple-Hypothesis Tracker, многоканальное сопровождение вероятных це-
лей
MIMO Multiple-Input Multiple-Output, система со множеством входов и множеством
выходов
ML Maximum Likelihood, максимальное правдоподобие (МП)
MLE Maximum-Likelihood Estimate, оценка максимального правдоподобия
MMSE Minimum Mean Square Error, среднеквадратическая ошибка
MM-UPDAF Multiple Model Unifi ed Probabilistic Data Association Filter, объединение мно-
гоуровневой модели с вероятностным фильтром данных
MODE Method of Direction Estimation, метод оценки направления
MOM Method-of-Moments, метод моментов
MQP Multi-segment Quasi-Parabolic, многосегментная квазипараболическая мо-
дель
MSC Magnitude Squared Coherence, квадрат амплитуды (функции) когерентности
MTI Moving Target Indicator, индикатор движущейся цели (доплеровский индика-
тор)
MUF Maximum Useable Frequency, максимально применимая частота (МПЧ)
MUSIC MUltiple SIgnal Classification, алгоритм разрешения группового сигнала
MVDR Minimum Variance Distortionless Response, неискаженный отклик с мини-
мальной дисперсией
NCM Number of Complex Multiplications, число комплексных умножений
NEC Numerical Electromagnetic Code, числовой электромагнитный код
NMF Normalized Matched Filter, нормализованный согласованный фильтр
NHD Non-Homogeneity Detection, обнаружение неоднородности
NRT Numerical Ray-Tracing, метод лучевой трассировки
NVI Near Vertical Incidence, область вблизи вертикального угла падения
OI Oblique Incidence, наклонное зондирование (НЗ)
OIS Oblique Incidence Sounder, зонд наклонного зондирования
OS Ordered Statistics, порядковая (ранговая) статистика
PBR Passive Bistatic Radar, пассивные бистатические РЛС
PCA Polar Cap Absorption, поглощение полярной шапки (ППШ)
PCD Partially Correlated Distributed, частично коррелированный распределенный
(ЧКР)
PCL Passive Coherent Location, пассивная когерентная локация
PDAF Probabilistic Data Association Filter, вероятностное объединениие выходных
данных фильтра
PDF Probability Density Function, функция плотности вероятности
PEC Perfect Electric Conductor, идеально проводящий проводник
PFA Probability ofFalse Alarm, вероятность ложной тревоги
PMHT Probabilistic Multiple Hypothesis Tracker, слежение с использованием много-
кратных вероятностных гипотез
PRF Pulse-Repetition Frequency, частота повторения импульсов (ЧПИ)
PRI Pulse Repetition Interval, период повторения импульсов (ППИ)
PSF Point Spread Function, функция рассеяния точки
PST Power-Selected Training, мощность (эффективность) метода с обучающей вы-
боркой
PW Pulse-Waveform, импульсный
QCS Quasi-Cubic Segment, модель с квазикубической сегментацией
QP Multi-Segment Quasi-Parabolic, многосегментный квазипараболический
QUMP Quasi Uni-Modal Propagation, время квазиунимодального распространения
RAAF Royal Australian Air Force, Королевские ВВС Австралии
RAF Royal Air Force, Королевские воздушные силы
RAP Range-only AdaptiveProcessing, адаптивная обработка по дальности
RD-SAP Range-Dependent Spatial Adaptive Processing, алгоритм, зависящий от дально-
сти пространственной адаптивной обработки
RCS Radar cross section, отражающая площадь цели (ЭПР)
RCD Radar Calibration Device, устройство калибровки радиолокационной стан-
ции
RCSL Raytheon Canada System Limited, канадское подразделение компании
Raytheon
RF Radio Frequency, радиочастота
RFI Radio Frequency Interference, радиопомехи
RIB Rigid Infl atable Boats, надувные резиновые лодки с жестким набором кор-
пуса
RMS Root-Mean-Square, среднеквадратичное значение (отклонение) (СКО)
RMP Recognized Maritime Picture, оперативная картина надводной обстановки
ROC Receiver Operating Characteristic, рабочая характеристика приемника или
ROC-кривая
RRD Receiver-Range-Doppler, дальность — доплеровская частота
RRT Receiver-Range-Time, приемник — дальность — время
RTIM Real-Time Ionospheric Model, ионосферная модель реального времени
(ИМРВ)
SAP Spatial-only Adaptive Processing, пространственно-адаптивная обработка
SIMO Narrowband Single-Input Multiple-Output, один вход и множество выходов
SC Stochastic Constraints, метод стохастического ограничения
SCR Signal-to-Clutter Ratio, отношение сигнал/помеха (ОСП)
SCV Sub-Clutter Visibility, видимость на фоне помех
SDC Spread-Doppler Clutter, мешающее отражение с расширенным доплеровским
спектром
SDR Signal-to-Disturbance Ratio, отношение сигнал/помеха
SDS Single-Data Set, единичное множество данных
SFDR Spurious-Free Dynamic Range, динамический диапазон без паразитных со-
ставляющих (ДДбПС)
SFN Single-Frequency Networks, мультистатические одночастотные сети
SID Sudden Ionospheric Disturbance, внезапные ионосферные возмущения (ВИВ)
SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio, сигнал / помеха-плюс-шум (ОСШП)
SIRP Spherically Invariant Random Process, сферически инвариантный случайный
процесс
SLL Sidelobe Level, уровень боковых лепестков
SMI Sample Matrix Inverse, обратная (инверсионная) матрица выборки
SMI Sample Matrix Inverse, выборочная обратная матрица
SCM Sample Covariance Matrix, выборочная ковариантная матрица
SNR Signal-to-Noise Ratio, отношение сигнал/шум (ОСШ)
SOI Signal of Interest, нужный сигнал (полезный сигнал)
SOCA Smallest-Of-Cell-Averaging, усреднение по элементам и определение наи-
меньшего значения
SOS Second-Order Statistics, статистика второго порядка
SRI Standford Research Institute, Стэнфордский исследовательский институт
SSN Sunspot Number, число солнечных пятен (число Вольфа)
SSL Single-Site Location, локализация расположения одиночных источников
STAP Space-Time Adaptive Processing, пространственно-временная обработка сиг-
налов
Super DARN Super Dual Auroral Radar Network, международная сеть РЛС по исследованию
авроральных областей
SVD Singular Value Decomposition, сингулярные числа матрицы
SWF Shortwave Fadeout, коротковолновое затухание
SWNR Signal-to-White Noise Ratio, отношение сигнала к белому шуму
TBP Time-Bandwidth Product, длительность импульса на ширину полосы
TEC Total Electron Content, измерение общего содержания электронов
TEP Transequatorial Propagation, трансэкваториальное распространение (ТЭР)
TDS Two-Data Set, двойное множество данных
TDOA Time-Diff erence of Arrival, разность времени прихода
TID Traveling Ionospheric Disturbance, перемещающееся ионосферное возмуще-
ние (ПИВ)
TkBD Track-Before-Detect, схема отслеживания до детектирования
TMF Tapered Matched Filter, сходящийся согласованный фильтр
TSJ Terrain-Scattered Jamming, отраженные от рельефа местности сигналы джам-
минга, или «горячие помехи»
TDOA Time-Diff erence of Arrival, разность времени прихода
TV-SAP Time-Varying Spatial Adaptive Processing, изменяющаяся во времени про-
странственная адаптивная обработка
TWERP Twin-Whip Endfi re Receive Pair, двухштыревая продольно-направленная ан-
тенна (ДШПНА)
UKF Unscented Kalman Filter, «неследящий» фильтр Калмана
ULA Uniform Linear Array, линейная антенная решетка (ЛАР)
UMP Uniformly Most Powerful Test, равномерный наиболее мощный критерий
UMPI Uniformly Most Powerful Invariant, равномерно мощный инвариантный кри-
терий
UNCLOS United Nations Convention on the Law of the Sea, конвенция ООН по морскому
праву
UT Universal Time, всемирное время
VI Vertical Incidence, вертикальное зондирование (ВЗ)
VIS Vertical Incidence Sounder, ионозонд ВЗ
VRT Virtual Ray-Tracing, трассировка виртуальных лучей (ТВЛ)
VSWR Voltage Standing Wave Ratio, коэффициент стоячей волны по напряжению
(КСВН)
WARF Wide Aperture Research Facility, широкоапертурная научно-исследова тельская
установка
WFA WaveFront Analysis, метод анализа волнового фронта
WFG Waveform Generator, генератор сигналов ( ГС)
WFT Wavefront Testing Procedures, тестирование волнового фронта
WRF Waveform Repetition Frequency, частота повторения сигналов (ЧПС)
WRI Waveform repetition interval, интервал повторения сигнала
WCF Weighted Subspace Fitting, взвешенный подпространственный подбор
WSS Wide-sense Stationary, стационарный процесс в широком смысле
ГФУ Геофизические условия
ДН Диаграмма направленности
ДЧХ Дистанционно-частотная характеристика
ЗС Зондирующий сигнал
КС Кругосветный сигнал
КУ Коэффициент усиления
МП Максимальное правдоподобие
ОРЧ Оптимальная рабочая частота
ТТХ Тактико-технические характеристики
ФХ Фазовая характеристика
ЧХ Частотная характеристика
ГЛАВА1
Введение
Загоризонтные ионосферные РЛС1 (OTH — Over-The-Horizon radar, загоризонтная РЛС
или радар) работают в диапазоне высоких частот (ВЧ2, HF — High-Frequency) 3–30 МГц
и используют для обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей отражен-
ные от ионосферы сигналы, что позволяет, по сравнению с обычными радарами прямой
видимости, на порядок увеличить расстояния до целей. Более половины века международ-
ных исследований и разработок в этой области привели к созданию зрелого поколения за-
горизонтных радиолокационных систем, обеспечивающих экономически эффективное
раннее обнаружение целей в широкой области. В частности, способность ионосферной
ЗГ РЛС (OTH-радара) устойчиво контролировать удаленные географические регионы,
в которых не представляется возможным или удобным использование микроволновых
РЛС, представляет собой важное преимущество таких систем.
Высокие качественные показатели действующих самых современных загоризонтных
радарных систем достигнуты в высшей степени благодаря теоретическим и эксперимен-
тальным исследованиям в области моделирования распространения волн в ионосфе-
ре, усовершенствованной аппаратной части системы, «умным» управляющим ресурсам
и цифровой обработке сигналов. Знания, полученные и обобщенные в рамках совместных
программ международного сотрудничества, сыграли ключевую роль в успешном разверты-
вании загоризонтных радиолокационных систем по всему миру.
Загоризонтные РЛС впервые появились между 1950 и 1970 годами и почти во всех отно-
шениях претерпели значительные изменения, но особенно примечателен прогресс послед-
них четырех десятилетий, достигнутый главным образом из-за поразительных достижений
в ключевых технологиях, которые позволили существенно повысить общие возможности
радиолокационных загоризонтных радарных систем. Например, наличие высококлассных
цифровых приемников в сочетании со стремительным повышением быстродействия ком-
пьютеров позволило использовать современные методы адаптивной обработки сигналов
для повышения чувствительности загоризонтных РЛС в сложных условиях атмосферных
помех. Кроме того, в результате применения современных принципов и методов улучше-
ны показатели, повышающие эксплуатационные характеристики загоризонтных радаров,
особенно в качестве средства наблюдения в военных приложениях.
Основная причина давнего интереса к методам загоризонтой радиолокации заключа-
ется в том, что характеристики таких систем не только уникальны, но и дополняют многие
другие средства наблюдения, работающие в настоящее время на морских, воздушных и космических платформах. Преимущества ЗГ РЛС в отношении альтернативных систем видео-наблюдения общепризнанны, а это важно и для обороны, и в гражданских применениях, особенно с точки зрения тех преимуществ, которые обеспечивают загоризонтные РЛС в качестве элементов интегрированных многоуровневых систем датчиков наблюдения.
В настоящей главе для предварительного знакомства приведены самые общие, эле-
ментарные принципы загоризонтных РЛС — OTH-радаров. Основная цель данной главы
заключается в создании «скелета» монографии, который объединил бы наиболее важные
черты ЗГ РЛС и служил бы введением к более подробному изложению в последующих
главах. А именно первый раздел настоящей главы начинается с краткого описания предпо-
сылок и условий, которые более чем полвека тому назад привели к созданию загоризонт-
ных РЛС. В данном разделе рассматриваются два разных типа ЗГ РЛС. Первый — ЗГ РЛС
на ионосферных волнах, и второй — на земных радиоволнах1. Хотя термин «загоризонтная
РЛС» (ЗГ РЛС) или OTH-радар на протяжении большей части этой книги относится к ио-
носферным системам, реализации РЛС на земной волне, которые используют распростра-
нения на пространственных и поверхностных волнах, также рассматриваются в отдельной
(независимой) главе.
Во втором разделе данной главы дается общее представление о работе загоризонтных
РЛС и об основных проблемах, создаваемых окружающей средой работе РЛС. Кроме того,
в разделе рассматриваются общие характеристики загоризонтных радиолокационных си-
стем и ряд их практических применений (не ограничивающихся наблюдением), которые
иллюстрируют различные применения загоризонтных радиолокационных систем в воен-
ных и гражданских целях.
В третьем разделе этой главы обсуждаются номинальные возможности и ограничения
ЗГ РЛС и их отличия от типичных микроволновых радаров, которые были выбраны для
сравнения в качестве образца. В частности, чтобы подчеркнуть различия, а часто и до-
полняющие свойства этих двух видов радиолокационных систем, используется основное
уравнение радиолокации. Такой подход развивается далее не только потому, что подавляю-
щее большинство радаров работают на сверхвысоких частотах, но и потому, что понятие
«радар» служит синонимом этой полосы частот и представляет собой наиболее широко
известный класс систем. Кроме того, это сделано для того, чтобы пояснить, что и загори-
зонтные, и обычные обзорные радиолокаторы, несмотря на их существенное разнообразие
в архитектуре, эксплуатационных характеристиках и номинальных возможностях, имеют
много общих функций. Четвертый, последний раздел данной главы подводит итоги обзора
номинальных характеристик, которые можно встретить в технических описаниях загори-
зонтных радиолокационных систем, такие как характерное покрытие, разрешающая спо-
собность и точность.
Основную часть книги после введения можно разделить на три части. Основные темы,
рассматриваемые в каждой части, подытожены по главам так, чтобы кратко дать общее
представление о структуре книги. По существу I часть на базовом уровне представляет ши-
рокий спектр принципов и методов построения загоризонтных радаров. II часть на осно-
ве анализа экспериментальных данных действующих радиолокационных загоризонтных
систем в основном посвящена моделированию КВ-сигналов, а уже III часть посвящена
применению современных методов обработки реальных данных или данных, полученных
при моделировании радиолокационных систем. Хотя эта организация изложения выгля-
дит вполне естественно в том смысле, что более поздние части изложения основываются
на разделах, изложенных ранее, но отдельные главы относительно независимы и могут рас-
сматриваться в порядке предпочтения. В конце основной части монографии следуют при-
ложения и библиография.
• Часть I: основные принципы (2–5 главы). Эта часть расширяет общие представления,
изложенные в данной главе с тем, чтобы обеспечить более широкий охват основ-
ных принципов и методов радиолокации, реализованных в загоризонтных РЛС
для заинтересованных читателей, специалистов, недостаточно знакомых или во-
обще незнакомых с этой областью. Кроме этого, на элементарном уровне подроб-
но анализируется широкий круг вопросов. Во второй главе представлены базовые
понятия ионосферы и описаны ее свойства с точки зрения среды распространения
КВ-радиоволн. Практические вопросы разработки загоризонтных радиолокаци-
онных систем и ключевые характеристики основных подсистем рассматриваются
в главе 3. В 4 главе обсуждаются различные типы сигналов, принимаемые радио-
локационными системами в ВЧ-радиодиапазоне, электромагнитной среде, и пояс-
няются общепринятые этапы обработки сигналов и данных, которые используются
1 РЛС на земных радиоволнах называют также РЛС на поверхностных волнах.
для обнаружения цели, локализации и сопровождения. Пятая глава посвящена ис-
ключительно теме РЛС на поверхностных КВ-волнах и рассматривает ряд вопро-
сов, имеющих прямое отношение к конкретной реализации радаров такого типа.
В изложение всех глав помещены краткие сведения об истории развития за-
горизонтных радиолокационных систем в разных странах, по всему миру начиная
с ранних работ по распространению радиоволн через ионосферу до реализации со-
временных ионосферных загоризонтных РЛС и радиолокационных систем на по-
верхностных волнах. Это далеко не полное повествование проливает свет на неко-
торые стороны развития загоризонтных РЛС и позволяет сравнивать между собой
различные системы с точки зрения современных программ их реализации, что
придает дополнительную убедительность при изложении технических вопросов.
• Часть II: описание сигналов. Главы 6–9 посвящены описанию и математическому
моделированию узкополосных коротковолновых сигналов в пространственно-
временных координатах, которые принимаются ЗГ РЛС после ионосферного рас-
пространения. Шестая глава, в частности, исследует возможность детерминирован-
ного описания реальных КВ-сигналов, которые принимаются типичными ЗГ РЛС,
на интервалах когерентной обработки порядка нескольких секунд. Для более дли-
тельных интервалов времени, порядка нескольких минут, в главе 7 исследуется воз-
можность представления КВ-каналов стационарными случайными процессами
с пространственно-временными статистиками второго порядка. Такой подход за-
кладывает основание для представления различных типов сигналов, включая ме-
шающие отражения, интерференцию и отраженные от цели эхо-сигналы. В главе 8
представлены различные процедуры оценки параметров модели при обработке ре-
альных данных в реальном масштабе времени. В 9 главе представлено эксперимен-
тальное обоснование метода оценивания многомерных моделей сигналов и методов
оценки параметров при прогнозировании параметров адаптивного формирования
диаграммы направленности в конкретной практике подавления помех.
Поскольку понимание свойств КВ-сигналов играет решающую роль в разра-
ботке эффективных методов обработки сигналов ЗГ РЛС, эта часть книги заклады-
вает основу для теоретических выкладок и практических приложений современных
методов обработки, представленных в третьей части. Несмотря на то что физиче-
ские идеи сравнительно часто используются при моделировании сигналов, следу-
ет особо подчеркнуть, что основное предназначение таких моделей заключается
в демонстрации свойств цифровых выборочных данных сигналов, принимаемых
ЗГ РЛС, с точки зрения их пригодности для последующей обработки сигналов.
• Часть III: методы обработки. В главах 10–13 при создании помехоустойчивых ал-
горитмов адаптивной обработки сигналов, пригодных для использования ЗГ РЛС,
используются модели сигналов, разработанные во II части. В частности, в 10 главе
рассматривается использование адаптивного алгоритма формирования диаграммы
направленности и сглаживания помех на интервале когерентной обработки в усло-
виях изменяющейся во времени пространственной структуры помех. В этой главе
описываются также различные факторы, которые могут потенциально ограничить
адаптивное формирование параметров диаграммы направленности в реальных
системах и некоторые часто используемые на практике подходы, которые способ-
ствуют улучшению показателей формирования диаграммы направленности. В гла-
ве 11 обосновывается использование в загоризонтных радарах методов адаптивной
пространственно-временной обработки сигналов (STAP — Space-Time Adaptive
Processing) и описываются алгоритмы снижения негативного влияния многолу-
чевой интерференции, возникающей при распространении радиоволн в ионо-
сфере. В главе 12 ставится задача обнаружения целей с использованием процедуры
испытаний двух гипотез непосредственно по принимаемым данным и выводятся
адаптивные алгоритмы, основанные на методе испытаний с использованием (или
на базе) обобщенного отношения правдоподобия ( GLRT — Generalized Likelihood1.1.
Ratio Test). Описываются различные схемы обнаружения, основанные на заданном
постоянном уровне ложных тревог (CFAR — Constant False-Alarm Rate) для раз-
ных моделей измерений, которые учитывают неопределенность полезного сигна-
ла и статистическую неоднородность возмущений (мешающих отражений и/или
помехи-плюс-шумы).
В заключительной главе обсуждается гораздо менее исхоженная область иссле-
дований, поскольку радиолокационное поле традиционно вызывает постоянный
интерес. В частности, глава 13 посвящена проблеме разделения сигналов источника
и многолучевого распространения методами слепой обработки сигналов (обычно
применяемыми в области связи) без данных о сигнале. Исследуется также пригод-
ность таких методов для пассивной когерентной локации (PCL — Passive Coherent
Location), а также в других приложениях загоризонтных радиолокационных КВ-
систем. Ключевой момент 13 главы и других глав этой части книги заключается
в демонстрации тех преимуществ в показателях, которые могут быть получены при
использовании адаптивных методов радиолокации вместо традиционной обработ-
ки за счет сравнения результатов, полученных на основе реальных и смоделирован-
ных данных.
1.1. Предпосылки и мотивация
Система РЛС дальнего обнаружения — Chain Home (CH), установленная на восточном по-
бережье Великобритании примерно в 1938 году, широко известна и рассматривается как
пример первой радиолокационной системы военного назначения, убедительно продемон-
стрировавшей свои возможности в ПВО во время войны. Радары СН работали в диапазоне
20–30 МГц, поскольку доступные высокочастотные технологии того времени только в этом
диапазоне обеспечивали создание мощности, достаточной для реализации предлагаемого
метода радиолокации. В отличие от современных ионосферных загоризонтных РЛС, си-
стема CH была разработана для обнаружения целей в зоне прямой видимости радара, а не
за горизонтом. На самом деле отражения от ионосферы, возвратившиеся с очень больших
расстояний, рассматривались операторами РЛС CH как «помехи». Отсылаем к изданию
[Neal, 1985] читателя, интересующегося более полным описанием действующей в то вре-
мя радиолокационной системы CH, которая оказала решающее влияние на исход битвы
за Британию. Позднее, во время Второй мировой войны, радары, использующие частоты
УКВ- и СВЧ-диапазона, успешно использовались для радионаблюдения в условиях пря-
мой видимости.
1.1.1. РЛС прямой видимости
Выбор диапазона частот оказывает решающее влияние на физические характеристики
и номинальные возможности радиолокационных систем. Рабочие полосы частот РЛС
простираются от ВЧ- до СВЧ-диапазонов. Классификация радиодиапазонов прово-
дится в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ,
ITU — International Telecommunications Union) в буквенных обозначениях, приведенных
в табл. 1.1. Подавляющее большинство обзорных радиолокационных систем во всем мире
работают в УВЧ или еще более высоких частотах, так как технические характеристики
и стоимостные показатели на этих частотах представляются наиболее конкурентоспособ-
ными в радио локационных системах прямой видимости.
Например, бортовые радары дальнего радиолокационного обнаружения (AEW —
Airborne Early-Warning) работают в полосе ультравысоких частот (УВЧ) или полосе L.
Многофункциональные РЛС, используемые для наблюдения и управления огнем орудий
на морских платформах, обычно работают в полосах S и C, в то время как X-группа и еще
более высокие частоты могут быть использованы для противоракетной обороны и ближнего
наведения ракет. Вообще использование более высоких частот обеспечивает более высокое
разрешение и точность, при этом при меньших габаритах аппаратуры. С другой стороны,
РЛС, работающие на более низких частотах, обеспечивают компромисс с упомянутыми до-
стоинствами за счет преимущества в дальности обнаружения и меньшей чувствительности
к помехам, создаваемым погодными условиями и влиянием эффекта затенения.
Резонно спросить, почему в конечном итоге обычные обзорные радиолокационные
системы, предназначенные для работы в пределах прямой видимости, были преимуще-
ственно реализованы в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а не в диапазоне КВ,
несмотря на то что подходящие технологии уже стали доступны. На рис. 1.1 иллюстриру-
ются некоторые из несомненных доводов в пользу работы на более высоких частотах при
следующих основных технических достоинствах: (1) системы предназначены для работы
в малой ширине полосы частот, в которой есть большее количество полос пропускания,
обеспечивающих точное разрешение целей, (2) возможность создания узких (с высоким
коэффициентом усиления) диаграмм направленности лучей с использованием антенн
с относительно небольшими апертурами позволяет легче удовлетворять условиям разме-
щения их на ограниченной площадке, (3) эффективная отражающая поверхность от цели,
которая лежит в оптической области, в отличие от случая резонансного рассеяния Рэлея,
(4) существенно более низкий уровень шума окружающей среды, который, как правило,
ниже минимального порогового уровня собственного (теплового) шума приемника, (5) от-
носительно стабильные и предсказуемые для более точной локализации и сопровождения
цели радиотракты (радиоканалы) распространения (линия прямой видимости) по сравне-
нию с ионосферными трактами, (6) наличие в определенных практических приложениях
возможностей снижения в рабочих диапазонах уровня мешающих отражений от поверхно-
стей с использованием механизма верхнего обзора. Всесторонний обзор радиолокацион-
ных систем наблюдения прямой видимости (наземного и воздушного базирования) можно
найти во многих превосходных книгах, и в том числе среди многих других авторитетных
авторов: [Сколник, 2015] и [Nathanson, Reilly, Cohen, 1999].
1.1.2. Ограничения по зоне обнаружения
Несмотря на целый ряд достоинств, приведенных на рис. 1.1, принципиальный недоста-
ток обычных радиолокационных систем, работающих в диапазоне сверхвысоких частот,
состоит в том, что зона обнаружения номинально ограничена расстояниями прямой види-
мости ( LOS — Line-Of-Sight) между радаром и целью. На практике кривизна Земли огра-
ничивает дальность зоны обнаружения микроволнового радара по поверхности Земли,
которая часто не превышает дальности геометрического горизонта. В некоторых случаях
покрытие может быть ограничено более короткими расстояниями, когда топографические
особенности, например горы, затеняют цели радиолокационного обзора. Характеристики
некоторых РЛС микроволнового диапазона подвержены также влиянию метеорологиче-
ских явлений, таких как, например, град или дождь, которые могут ухудшать видимость
целей из-за мешающих отражений и увеличения затухания сигнала.
Указанные концептуальные ограничения обычных радаров прямой видимости про-
иллюстрированы на рис. 1.2. А именно верхняя часть рисунка иллюстрирует затенение
и затухание сигналов, которые могут возникать на относительно коротких расстояниях.
С другой стороны, средняя и нижняя части рисунка показывают затемнение тракта прямой
видимости РЛС судов на поверхности моря и воздушных целей, обусловленное кривизной
Земли. Рассмотрены варианты установки антенн на наземных и бортовых радиолокацион-
ных платформах.
При нормальных атмосферных условиях из-за рефракции в тропосфере сигналы ми-
кроволновых радаров, как правило, немного отклоняются в сторону Земли. Этот механизм
практически расширяет радиогоризонт за пределы геометрического горизонта. Для назем-
ного радара, работающего на сверхвысоких частотах, увеличенное расстояние радиогори-
зонта, обусловленное такой тропосферной рефракцией, часто рассчитывается с учетом ги-
потетического эффективного радиуса Земли, который составляет примерно четыре трети
его истинного значения1. Номинальное значение радиогоризонта может быть рассчитано
с учетом поправочного коэффициента на радиус Земли при вычислении геометрического
горизонта по простым правилам тригонометрии.
При необычных или аномальных атмосферных условиях сверхрефракция сигналов ми-
кроволнового диапазона может время от времени расширять зону обнаружения обычного
радара значительно выше номинального значения радиогоризонта. Это позволит обнару-
живать надводные цели и низколетящие самолеты на расстояниях, значительно бо льших,
чем при нормальных (а в глобальном масштабе при усредненных) атмосферных условиях.
Однако это явление распространения волн, известное также как «волноводный эффект»,
слабо предсказуемо, никаким образом не контролируется и поэтому на практике не может
браться в расчет для расширения зоны обнаружения обычной микроволновой РЛС свыше
ее номинального значения. На практике другой тип аномального распространения волн
может уменьшить зону эффективного обнаружения относительно ее номинального зна-
чения, ожидаемого при нормальных атмосферных условиях. Это явление, известное как
субрефракция (пониженная или отрицательная рефракция), проявляется в отклонении
сигнала от поверхности Земли.
Как следует из средней части рис. 1.2, номинальное значение радиуса зоны обнаруже-
ния обычной РЛС прямой видимости ограничивается кривизной (выпуклостью) Земли.
Количественно дальность обнаружения может быть оценена по расстоянию по поверхно-
сти Земли — dm. Предполагается, что антенна на платформе РЛС поднята на высоту hr над
гладкой сферической поверхностью Земли с эффективным радиусом re, который учитывает
рефракцию при нормальных атмосферных условиях. Расстояние вдоль поверхности Земли
от точки вертикально под радаром до геометрического горизонта определяется как длина
дуги по формуле d = re arccos{re/(re + hr)}. Для целей на высоте ht линия прямой видимости
доходит до точки на максимальном расстоянии по поверхности Земли dm, определяемой
по формуле (1.1). В этом первом диапазоне трассы по дуге большого круга радар и цель
соединены между собой прямой линией, которая проходит по касательной к поверхности
Земли. Любое дальнейшее увеличение расстояния приводит к потерям в обнаружении из-
за кривизны Земли.
см. уравнение в книге (1.1)
Как показано в средней части рис. 1.2, известное ограничение систем прямой видимости
заключается в том, что эффективное обнаружение маловысотной цели обычным микро-
волновым радаром возможно на небольшой дальности от радара. Так как высоты hr и ht
(за некоторыми исключениями) намного меньше, чем re, расстояние по длине дуги рас-
считывается с помощью теоремы Пифагора в виде ( см. в тексте книги). Посколь-
ку re max(hr,ht), то это выражение можно, в свою очередь, аппроксимировать известной
формулой максимальной дальности обнаружения радаром прямой видимости (см. уравне-
ние (1.2)). Эта формула подходит для большинства практических расчетов дальности об-
зорных радиолокаторов, за исключением только радио локационных систем космического
базирования.
см. уравнение в книге (1.2)
На рис. 1.3а представлены графики максимальной горизонтальной дальности dm РЛС пря-
мой видимости наземного или морского базирования, вычисленные в зависимости от вы-
соты антенны и положения целей на малых высотах. Кривая, обозначенная как «геоме-
трический горизонт», вычислена для радиуса Земли идеальной формы, принятого равным
r = 6380 км, а кривая с надписью «радиогоризонт» вычислена в предположении эффектив-
ного радиуса Земли, равного re = kr, где k = 4/3. Остальные две кривые вычислены для целей
на высотах 20 и 80 м над поверхностью Земли. Для высот антенн радара ниже hr = 50 м рас-
стояние для целей на поверхности (ht = 0) по земле — более dm = 30 км, выходит за границы
зоны обнаружения обычного радара прямой видимости. Поэтому микроволновые радары
наземного или корабельного базирования имеют низкую эффективность обнаружения це-
лей на поверхности и самолетов на малой высоте, использующих кривизну Земли в каче-
стве «щита», избегая тем самым «освещения» радиолокационным сигналом.
На рис. 1.3б представлены графики максимальных горизонтальных дальностей, рас-
считанные для высотных РЛС (воздушный борт), контролирующих по линиям прямой
видимости цели на поверхности и на высоте 2 и 8 км. Авиационная платформа поднима-
ет высоту антенн РЛС до нескольких километров и потенциально может расширить зону
возможного обзора до нескольких сотен километров. Датчики обзора космического бази-
рования на высотах в сотни километров в принципе могут увеличить зону обнаружения
до тысяч километров. Однако согласно уравнению (1.2) дальность обзора растет пропор-
ционально корню квадратному от высоты антенны, откуда следует, что увеличение размера
зоны обзора на порядок требует подъема высоты антенны на два порядка. Очевидно, что
попытки расширить обзор таким образом обеспечиваются при экспоненциальном росте
стоимости и сложности оборудования в силу ограничений, внутренне присущих техноло-
гиям прямой видимости.
1.1.3. За горизонтом
Ограниченность дальности обзора обычной РЛС прямой видимости становится пробле-
мой с появлением требований постоянного слежения за отдаленными районами в труд-
нодоступных местах, вблизи которых невозможно или неудобно размещение постоянно
действующей РЛС систем наблюдения прямой видимости. Это может относиться к труд-
ностям материально-технического обеспечения в труднодоступных и малонаселенных
районах, в которых отсутствует инфраструктура жизнеобеспечения, или это могут быть от-
крытые участки океана вдали от государственной береговой линии. Такие ситуации могут
привести к нежелательным дополнительным проблемам в наблюдении за пространством
наблюдения в зоне прямой видимости.
Мобильные платформы с возможностями наблюдения в зоне прямой видимости мо-
гут помочь в решении данной проблемы, но их развертывание без дополнительной ин-
формации в режиме реального времени от датчиков оповещения о появлении признаков
подозрительной активности в контролируемых районах может быть неэффективным и до-
рогостоящим. Страны с большими территориями, такие как Австралия и США, должны
регулярно наблюдать за обширными географическими площадями и объемами воздушно-
го пространства эффективным и надежным образом в целях предоставления в режиме ре-
ального времени полной картины происходящего в воздухе и на поверхности для военных
и гражданских потребителей. Системы радионаблюдения, основанные исключительно
на развертывании большого числа РЛС прямой видимости, каждая из которых располагает
ограниченной зоной обзора, могут оказаться неприемлемыми и с финансовой точки зре-
ния, если очень большие и отдаленные регионы будут контролироваться традиционным
способом.
Кроме того, с возрастанием в настоящее время скорости, скрытности и в ряде слу-
чаев непредсказуемости технологических угроз первостепенное значение приобретают
системы наблюдения, способные своевременно получать информацию (раннее опове-
щение) о потенциальных угрозах с тем, чтобы минимизировать элемент неожиданности.
Для того чтобы радарные системы были способны удовлетворять указанным выше целям
с точки зрения экономической целесообразности, необходим принципиально иной под-
ход, не ограниченный дальностью прямой видимости традиционных систем, работающих
в УКВ- или СВЧ-диапазонах. В результате имеет место стремительное возрождение инте-
реса к использованию радиолокационных систем, которые работают на более низких ча-
стотах, а точнее в КВ-диапазоне, потенциальные возможности которого позволяют обойти
ограничения локации прямой видимости и намного превзойти возможности устаревших
типов радаров.
Важное свойство КВ-диапазона (3–30 МГц), представляющее большой интерес для
разработки РЛС, заключается в уникальной способности КВ-сигналов распространяться
на очень большие расстояния и большую поверхность Земли и за горизонтом. Как показа-
но на рис. 1.4, распространение КВ-сигналов за горизонт может происходить с помощью
двух различных физических механизмов, известных как ионосферное отражение (Skywave)
и распространение наземных, поверхностных волн. Ионосферное распространение от-
носится к режиму, в котором КВ-сигналы «отражаются» в верхних слоях атмосферы, из-
вестных как ионосфера, в которых концентрация свободных электронов в пределах есте-
ственно сформированного ионизированного газа (плазмы) достигает высокого уровня,
достаточного, чтобы существенно повлиять на распространение радиоволн КВ-диапазона.
Ионосфера может отражать высокочастотные сигналы на одной или нескольких действую-
щих высотах между 100 и 400 км, освещая поверхность Земли на расстояниях в тысячи ки-
лометров сигналами с достаточно большой удельной мощностью.
С другой стороны, возможен режим распространения поверхностных волн с вер-
тикальной поляризацией сигнала. В этом режиме значительная часть энергии сигналов
КВ-диапазона может распространяться вдоль проводящей поверхности моря (солевой
раствор) по границе, разделяющей море и воздух. Другими словами, в этом режиме сиг-
нал фактически распространяется в удаленные области на расстояние сотен километров
непосредственно над границей, разделяющей море и воздух, огибая поверхность Земли.
Распространение поверхностных волн не следует путать с аномальным или волноводным
распространением, которое возникает из-за атмосферной рефракции. Данный режим рас-
пространения, несомненно, зависит от электрических свойств поверхности Земли и может
быть реализован даже при отсутствии атмосферы. Очевидно, что режим ионосферного рас-
пространения представляет основной интерес в вопросе сверхдальнего распространения.
Режим поверхностных волн имеет ряд достоинств на коротких загоризонтных расстояниях,
которые обсуждаются в главе 5. На рис. 1.4 проиллюстрирован также тракт прохождения
сигнала СВЧ-радара по «прямой линии», который из-за его более высокой частоты про-
ходит через ионосферу.
Ниже КВ-диапазона, на средних частотах, сигналы ( MF — Medium Frequency) в по-
лосе 0,3–3 МГц испытывают сильное затухание из-за поглощения в нижних частях ио-
носферы, особенно в каналах дальнего распространения в дневное время, в то время как
на более низких диапазонах частот ( LF — Low Frequency, низкая частота / VLF — Very Low
Frequency, очень низкая частота) их полосы пропускания едва хватает для нескольких ка-
налов тональной частоты. Выше КВ-диапазона ионосфера редко обеспечивает отражение
сигналов очень высоких частот (ОВЧ), значительно превышающих 30 МГц, хотя такие сиг-
налы могут быть диффузно рассеяны неоднородностями в ионосфере.
В сущности, полосы частот, прилегающие к диапазону КВ снизу и сверху, вообще не об-
ладают такими уникальными свойствами, которые позволяют коротковолновым сигналам
свободно распространяться далеко за горизонт и обеспечивают тем самым возможность
реализации для загоризонтной радиолокации. В результате вскоре после окончания Второй
мировой войны большое внимание было уделено использованию сигналов КВ-диапазона
применительно к задачам загоризонтной радиолокации. Примерно в это же время в Со-
единенных Штатах объединенными усилиями оборонных, коммерческих и учебных ор-
ганизаций начали проводиться первые исследования по применению РЛС КВ-диапазона
для обнаружения целей за горизонтом с использованием преимуществ ионосферного рас-
пространения. Следует отметить, что к данному времени одностороннее ионосферное рас-
пространение уже давно, в течение многих лет, использовалось в коротковолновой связи
и радиовещании. Действительно, первый междугородный «беспроводный» телеграфный
сигнал был передан через Атлантический океан Гульельмо Маркони 12 декабря 1901 года.
Тем не менее только 25 лет спустя существование ионосферы и ионосферного распростра-
нения радиоволн было доказано экспериментально. Это было достаточно давно, уже после
того, когда основными радиоволнами, ответственными за распространение трансатланти-
ческих сигналов Маркони на расстояние около 3500 км от Полду на побережье Корнуолла
в Англии до Сент-Джонс в Ньюфаундленде, Канада, ошибочно посчитали поверхностные
волны.
С точки зрения перспективы радиолокационного наблюдения режим ионосферного
распространения КВ-сигналов на дальние расстояния предоставляет радару возможность
радионаблюдения поверхности или воздушных целей как далеко за горизонтом, так и по
линии прямой видимости соответственно. В отличие от односторонней КВ-связи или ра-
диовещания на коротких волнах эхо радиолокационного сигнала, отраженное от цели, для
обеспечения обнаружения должно распространяться обратно в принимающую систему
тем же физическим механизмом для возможности обнаружения по двустороннему тракту
распространения.
В сравнении с обзорными микроволновыми РЛС одна КВ РЛС ионосферного распро-
странения способна обеспечить гораздо бо льшую дальность обнаружения и наблюдение
за огромными площадями поверхности и объемами воздушного пространства. Эти свой-
ства служат убедительным аргументом, стимулирующим разработку и использование по-
тенциала ЗГ РЛС. Первые революционные эксперименты в области загоризонтных ионо-
сферных радаров состоялись примерно в начале 1950-х годов в научно-исследовательской
лаборатории ВМС США. В 1956 году решающий цикл экспериментов убедительно пока-
зал, что такие системы могут успешно использоваться для дальнего обнаружения само-
летов [Thomason, 2003]. Изначально проектирование и разработка загоризонтных ионо-
сферных радаров велись ВМС США для обнаружения представлявших основную угрозу
дальних и средних бомбардировщиков и ракетоносцев боевой морской оперативной груп-
пы. Как пояснил Томасон [Thomason, 2003], системы видеонаблюдения, которые могли бы
обнаруживать цели на всем пространстве оперативного театра боевых действий и своевре-
менно предоставлять информацию для тактического реагирования, должны были проти-
востоять именно этой угрозе.
После пионерских достижений Соединенных Штатов ряд других стран, включая Ав-
стралию, Россию (точнее, бывший Советский Союз), Китай и Францию, создали загори-
зонтные ионосферные РЛС гражданского и военного назначения. В частности, австра-
лийская программа создания КВ-радаров (Jindalee) началась с 1970-х с разработки трех
загоризонтных ионосферных радаров, которые сегодня составляют часть оперативной ра-
диолокационной сети (JORN — Jindalee Operational Radar Network). JORN — это действую-
щая сеть радаров Jindalee, которая и в настоящее время используется в качестве основного
средства наблюдения за обширными территориями в системе организации обороны Ав-
стралии.
1.2. Принципы работы загоризонтных радаров
Исторически сложилось так, что загоризонтные ионосферные РЛС были разработаны
под задачи различного назначения, использующие перспективные технологии и средства,
не говоря уже о финансовой стороне вопроса. По этим причинам ранние и современные
загоризонтные РЛС имели и имеют разнообразный спектр характеристик. Для обще-
го знакомства с основополагающими, концептуальными положениями механизма рабо-
ты, физическими характеристиками, а также уникальными возможностями таких систем
основное внимание следует сосредоточить на рассмотрении номинальных режимов, кото-
рые в большей или меньшей степени характеризуют особенности некоторых используемых
в настоящее время загоризонтных ионосферных РЛС. Придерживаясь этой цели, в каче-
стве подходящего ориентира для начального описания загоризонтных ионосферных РЛС
можно выбрать реализации самых последних систем, разработанных в Соединенных Шта-
тах Америки и Австралии для наблюдения за воздушными и наземными целями. Различия
между приводимыми в качестве примеров радиолокационными системами прошлых и на-
стоящих поколений загоризонтных РЛС обсуждаются в третьей главе.
1.2.1. Принцип действия загоризонтных ионосферных РЛС
С помощью рис. 1.5 можно простыми словами пояснить принцип действия ионосфер-
ной ЗГ РЛС. Передающая антенна с электронным управлением диаграммы направленно-
сти посылает КВ-сигнал в выбранном направлении луча по азимуту обзора в различные
секторы зоны ответственности (обзора) за горизонт. Для контроля участков зоны обзо-
ра на различном удалении от ионосферного радара передающая антенна обычно имеет
широкий диапазон изменения положения диаграммы направленности по вертикали, ко-
торый позволяет изменять направление излучения от почти горизонтального угла возвы-
шения (~5 градусов) до примерно 45 градусов. Излучаемые сигналы свободно распростра-
няются по прямой вдоль выбранного направления излучения в нижних слоях атмосферы
(игнорируя тропосферную рефракцию), пока не попадут под углом в нижние слои ионо-
сферы, в которых концентрация свободных электронов достаточно высока для того, чтобы
повлиять на распространение коротких волн. Как только электромагнитная волна попа-
дает в ионосферу, она взаимодействует со свободными электронами, плотность которых
увеличивается с высотой. В отличие от сигналов микроволнового диапазона, которые при
прохождении через ионосферу продолжают распространение практически без отклонения
траектории, коротковолновые сигналы из-за постепенного изменения (увеличения) с вы-
сотой плотности свободных электронов и, следовательно, изменения показателя прелом-
ления радиоволн достигают области критической концентрации, в которой преломляются
и распространяются обратно к Земле.
В одном или нескольких слоях внутри ионосферы, как правило, в пределах выше
100 км и до 400 км, плотность электронов вдоль траектории луча может быть достаточно
высокой для того, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение. Благодаря этому от-
раженные сигналы направляются далее вниз с преломлением траектории распростране-
ния и выходят из слоя ионосферы, попадают в воздушное пространство и на поверхность
Земли, «освещая» районы, лежащие за горизонтом на Земле и над ней. Действительно,
по земле от РЛС. Реальная траектория преломления сигнала, принимаемого радаром после
прохождения через ионосферу, а следовательно, и пространство, которое радар «освещает»
на поверхности Земли, зависят от ряда факторов, из которых одним из наиболее важных
является частота сигнала. Поэтому, изменяя частоту и направление излучения сигнала пе-
редающей антенны, оператор может избирательно по дальности и по азимуту контролиро-
вать разные зоны обзора в различных географических районах.
Любая поверхность или воздушная цель в контролируемой зоне обзора будет препят-
ствовать прохождению энергии падающего сигнала и отражать часть этой энергии во всех
направлениях. Ничтожно малая часть этой энергии, отраженная от цели, возвращается
обратно к высокочувствительному приемнику ЗГ РЛС по ионосферному тракту таким же
образом, как и в прямом направлении при «освещении» цели. Приемник, получая отра-
женное от цели эхо в качестве полезного сигнала, в дополнение к нему получает мешаю-
щие отражения и сигналы, которые содержат в себе ненужные радару сигналы, а именно
сигналы, отраженные обратно от земной или водной поверхности, от ионизированных
метеорных следов и неоднородностей ионосферы. Время от времени могут приниматься
сонаправленные, «попутные» сигналы, не зависящие от сигналов, излучаемых радаром,
а создаваемые другими пользователями КВ-диапазона. И в завершение у загоризонтных
радаров на входе неизбежно присутствуют высокочастотные шумы от атмосферных и га-
лактических источников, которые по мощности намного превышают собственный (тепло-
вой) шум приемника и обобщенно именуются фоновым шумом.
В частности, очень мощные мешающие отражения, возвращаясь, полностью перекры-
вают более слабые отражения от цели, которые не могут быть выделены непосредствен-
но из всей совокупности сигналов, принятых загоризонтной радарной системой. По этой
причине обработка сигнала применяется к необработанным данным таким образом, что-
бы очень слабые полезные сигналы могли быть обнаружены с требуемой достоверностью.
На различных этапах обработки сигналов при доплеровской обработке важно отличать от-
ражения от движущихся целей от конкурирующих, мешающих отражений. Кроме обнару-
жения присутствия целей в зоне обзора, для локализации и сопровождения целей в течение
долгого времени также применяется соответствующая обработка данных. Географическое
отображение установленных траекторий, которые представляют диспетчеру РЛС четкую
картину продвижения воздушных и наземных целей в зоне наблюдения, представляет со-
бой конечный продукт работы загоризонтной радиолокационной системы.
Общая протяженность зоны обнаружения по дальности загоризонтной радиолокаци-
онной системы номинально находится в диапазоне между 1000 и 3000 км и зависит от про-
ектных свойств системы. Угловые размеры зоны обнаружения могут составлять 60, 90, 180
или 360 градусов по азимуту. Дальность обнаружения загоризонтной РЛС в пределах тро-
посферы на порядок больше, чем у наземных радаров прямой видимости при обнаружении
высотных целей. При обзоре низколетящих самолетов и надводных кораблей относитель-
ное увеличение дальности обнаружения в сравнении с обычным наземным микроволно-
вым радаром фактически выше на два порядка. Это происходит потому, что загоризонтные
радары «глядят вниз», освещая цели на всех высотах ниже ионосферы.
Важное свойство распространения КВ-сигнала (дифракционные эффекты в сочета-
нии с позицией наблюдения «вид сверху» при ионосферном распространении) заключа-
ется в устранении (или значительном уменьшении) теневых областей в зоне наблюдения
таким образом, что цели не могут использовать топографические особенности местности,
такие как горы или впадины, чтобы умышленно избежать «освещения». Кроме того, от-
носительно длинные волны, используемые ЗГ РЛС, обеспечивают им невосприимчивость
к воздействию метеорологических явлений, с которыми часто сталкиваются микровол-
новые радары радиолокационных систем в том смысле, что из-за атмосферных осадков
возрастают затухание сигнала и влияние мешающих отражений от метеообразований, что
не является проблемой в КВ-диапазоне. Однако, строго говоря, характеристики загори-
зонтных радаров не совсем не зависимы от погоды: например, грозовая активность может
значительно повысить уровень шума из-за грозовых разрядов и в открытом море может
повлиять на обнаружение медленно перемещающихся целей из-за мешающих отражений
от поверхности.
Общая площадь зоны обзора одной загоризонтной РЛС может составлять 6–12 мил-
лионов квадратных километров. Оценка такой огромной территории может быть сдела-
на по рис. 1.6, на котором очерчена зона обзора трех австралийских загоризонтных РЛС,
образующих сеть JORN, на географической карте расположенных рядом: Элис-Спрингс
(Северная территория), Лавертон (Западная Австралия) и Лонгрич (Квинсленд). Для срав-
нения на рис. 1.6 показана зона обнаружения наземного микроволнового радара. Затенен-
ный внешний круг зоны обзора радара прямой видимости воздушных целей соответствует
высоте полета коммерческих авиакомпаний, а меньший внутренний круг зоны обзора це-
лей соответствует их нахождению на поверхности или на малой-низкой высоте. К слову,
в данный момент уместно объяснить, что загоризонтный радар не может контролировать
одновременно всю зону потенциального обзора. Вообще количество задач обзора (каждая
из которых включает одну или несколько зон обзора) и график их исполнения планируют-
ся параллельно со временем проведения РЛС наблюдений в выбранной части общей зоны
обзора и в заданный интервал времени.
В зависимости от назначения и класса целей, которые влияют на требования, предъ-
являемые к ресурсам системы, загоризонтный радар может оперативно обнаруживать и от-
слеживать цели в режиме реального времени на областях от нескольких десятков тысяч
до, возможно, более одного миллиона квадратных километров. Хотя капитальные затраты
на развертывание ЗГ РЛС значительно выше, чем у обычной РЛС прямой видимости, она
обеспечивает необыкновенно экономически эффективный обзор поверхности и воздуш-
ного пространства на единицу площади и объема соответственно. Главное преимущество,
однако, заключается в возможности обеспечить раннее предупреждение и широкий обзор
географических территорий, что невозможно сделать за счет развертывания РЛС СВЧ или
других средств на прямой видимости.
На рис. 1.7 схематично представлены общая зона контроля загоризонтного радара
и меньший район наблюдения внутри него, известный как «след» или проекция зоны обна-
ружения радара (или передатчика) — область земной поверхности, которая при конкретном
выборе несущей частоты сигнала и направленности диаграммы излучения контролируется
в текущий момент времени (мгновенно). Ограничение размера мгновенной проекции зоны
обзора по дальности происходит из-за конечной высоты и уровня электронной концентра-
ции ионосферного слоя, обеспечивающего распространение сигнала на фиксированной
частоте, а ограничение по азимуту возникает из-за ограничения ширины луча диаграммы
направленности передающей антенны радара по азимуту. Номинальная длина и попереч-
ный размер проекции луча диаграммы передающей антенны радара на поверхности Земли
количественно будут определены позже. Главное здесь то, что для поиска целей в одном
районе наблюдения необходимо последовательно сканировать лучом радара по азимуту
и дальности, чтобы обеспечить контроль всех районов в общей зоне наблюдения.
Как правило, ЗГ РЛС одновременно контролирует некоторое число активных райо-
нов наблюдения, которые географически расположены в местах, представляющих интерес
в данный конкретный момент времени. РЛС для сбора данных о конкретном районе на-
блюдения в течение определенного времени сканирует его, а затем этот процесс пошагово
в установленной очередности повторяется в других активных регионах видеонаблюдения.
Таким образом, ЗГ РЛС по нескольку раз в запланированной последовательности просма-
тривает каждую из активных областей наблюдения. Размер каждой области наблюдения
эффективно ограничивается размерами «освещенной» радаром площади — проекции
на поверхности Земли. Чтобы подчеркнуть, что зона наблюдения (или проекция диаграм-
мы направленности передатчика РЛС) полностью «освещается» в течение интервала радио-
локационного зондирования, ее обычно называют также областью обзора, одновременно
покрываемой лучом ( DIR — Dwell Interrogation Region). Последовательность, в которой
ЗГ РЛС проводит зондирование различных зон DIR, называют последовательностью или
стратегией сканирования. Площадь обзора разбивается на набор участков зондирования
DIR для проведения ЗГ РЛС согласованного во времени сканирования и может рассматри-
ваться как процесс обнаружения и сопровождения целей в реальном времени.
При плановом зондировании число зон ограничено интервалом времени когерентно-
го накопления каждой области обзора, одновременно покрываемой лучом всех зон DIR.
Длительность когерентного накопления определяется процессом доплеровской обработки
каждой зоны DIR, а время повторного зондирования определяется необходимостью эф-
фективного сопровождения целей. Как уже упоминалось, эти противоречивые требования
почти всегда означают, что время оперативного облучения в режиме реального времени
ЗГ РЛС всегда меньше времени, нужного для наблюдения во всей потенциальной области.
В связи с этим возникает ряд вопросов. Например, какие факторы определяют размеры
потенциальной зоны наблюдения, такие как минимальный и максимальный диапазон, что
такое физический размер зоны DIR и какова разрешающая способность РЛС (или ячейка
разрешения) внутри нее? Ответы на эти вопросы дают предварительные сведения о номи-
нальных возможностях загоризонтных радиолокационных систем и чуть позже будут об-
суждаться в данной главе.
1.2.2. Общая характеристика
Хотя наличие ионосферы позволяет ЗГ РЛС обнаруживать и сопровождать цели на рас-
стояниях, на порядок величин бо льших, чем обычные радиолокационные системы,
на практике ионосфера как среда распространения также служит источником многих
неопределенностей и трудностей. Следовательно, характеристики ЗГ РЛС определяются
не только структурой системы и эксплуатационными параметрами, но также сильно за-
висят от свойств и состояния ионосферы, а также характеристик электромагнитного фона
в частотном диапазоне работы радара ( EM — Electromagnetic). В продолжение введения
к этой главе наряду с основными физическими характеристиками типичных загоризонт-
ных радиолокационных систем ниже кратко представлены общие свойства ионосферы
и окружающая электромагнитная обстановка в КВ-диапазоне.
1.2.2.1. Среда распространения
Естественно ионизированный газ (плазма) в ионосфере создается излучением частиц вы-
сокой энергии, испускаемых Солнцем. Это достаточная концентрация свободных электро-
нов, образующихся в определенных слоях ионосферы, которая обеспечивает возвращение
энергии КВ-сигнала на Землю с помощью так называемого ионосферного распростране-
ния. Концентрация свободных электронов, чаще упоминаемая как плотность электронов,
в зависимости от высоты слоя ионосферы может изменяться более чем на два порядка. Вы-
соты максимумов ионизации также изменяются в зависимости от времени и географиче-
ских координат. Несмотря на то что в ночное время прямое излучение Солнца отсутствует,
ионосфера никогда полностью не исчезает и всегда имеет плотность ионизации, достаточ-
ную для отражения КВ-сигналов и для работы ЗГ РЛС.
Хотя наличие ионосферы можно воспринимать как некоторую данность с обобщенны-
ми и в определенной степени достаточно часто предсказуемыми свойствами, но на прак-
тике и, в частности, при организации загоризонтной радиолокации эти свойства не всегда
представляется возможным точно прогнозировать. Помимо присущей ей непредсказуемо-
сти, ионосфера обладает рядом уникальных свойств, способствующих распространению
КВ-сигналов. Некоторые из них заметно отличаются от особенностей, рассмотренных
в литературе, посвященной микроволновым РЛС. Ряд важных характеристик ионосферы,
которые влияют на распространение КВ-сигнала и, следовательно, на работу ЗГ РЛС, при-
ведены ниже. Более подробное описание ионосферы и ее свойств с точки зрения среды
распространения КВ-сигналов представлено во 2 главе.
В отличие от канала распространения прямой видимости СВЧ-диапазона, ионосфер-
ные каналы отличаются высокой динамичностью, пространственной неоднородностью
и анизотропностью среды распространения КВ-сигналов, частотно-зависимые характери-
стики которых существенно изменяются в полосе частот КВ-диапазона. Рабочие частоты,
наиболее подходящие для зондирования конкретного региона обзора, существенно из-
меняются в зависимости от времени суток (суточный ход), месяца (сезонные колебания)
и в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Как правило, для отслеживания мас-
штабных изменений в ионосфере рабочая частота должна корректироваться каждые 10–
30 минут и, возможно, еще быстрее в утренние и вечерние часы по линии разделения света
и тени и в периоды ионосферных возмущений.
Оптимальная частота для «освещения» конкретного района наблюдения днем может
в два раза отличаться от частоты, которая требуется ночью. Кроме того, отношение частот,
которое требуется для зондирования различных районов в заданной зоне контроля ЗГ РЛС
в конкретный момент времени, может быть равно 2 к 1 или 3 к 1. Рабочая частота также
может изменяться для районов наблюдения той же дальности, но в других азимутальных
направлениях, в частности при прохождении зон линией солнечного терминатора (в часы
рассвета или наступления сумерек). Обобщая вышесказанное, можно сказать, что качество
обнаружения и сопровождения цели ЗГ РЛС, использующей ионосферное распростране-
ние, существенно зависит от изменений частоты, времени и места.
Кроме того, плотность электронов в ионосфере имеет характерную структуру горизон-
тальных слоев. Это создает условия для отражения КВ-сигнала от отличающихся по плот-
ности электронов различных ионосферных слоев, расположенных на различной высоте.
На практике отраженные сигналы часто состоят из суперпозиции нескольких составляю-
щих или мод, распространяющихся по разным путям между двумя конечными пунктами
на поверхности Земли. Четыре или более сильных типа волн — мод с, возможно, совер-
шенно разными задержками времени, доплеровскими сдвигами частоты и углами паде-
ния, могут прийти на вход ЗГ РЛС от одной цели и сгруппированы для распознавания.
Вообще условия многолучевого распространения сигналов КВ-диапазона при отражении
от ионосферы намного сложнее интерференции, возникающей между прямым лучом и от-
раженным от поверхности, которые часто рассматриваются в радиолокационных системах
прямой видимости.
Коэффициент преломления КВ-радиоволн в ионосфере неоднороден и изменяется
как под влиянием магнитного поля Земли, так и по высоте. Эта зависимость коэффициента
преломления оказывает влияние на поляризацию распространяющейся волны и направле-
ние ее распространения. Затухание сигналов КВ-диапазона из-за поглощения в ионосфере
также может быть значительным, особенно в нижней части высот ионосферы, известной
как D-область (ниже приблизительно 90 км). Помимо этого «нормального» поведения, ио-
носфера также подвержена волнообразным возмущениям, геомагнитным бурям и множе-
ству других явлений, которые могут значительно повлиять на ее свойства в качестве среды
распространения радиоволн [Davies, 1990]. Некоторые общие характеристики ионосфер-
ного канала распространения КВ приведены в табл. 1.2.
Как уже упоминалось ранее, для эффективной работы ЗГ РЛС необходимо, чтобы
частота радиолокационного сигнала выбиралась в реальном масштабе времени таким
образом, чтобы оптимизировать эффективность обнаружения цели в зоне наблюдения.
А это требует, чтобы ЗГ-радар мог динамично перестраивать частоту в широком диапазоне КВ-спектра. Для эффективной работы ЗГ-радара днем и ночью по всей зоне на-
блюдения могут потребоваться несущие частоты, отличающиеся на две или более октавы.
Поскольку свойства ионосферы невозможно спрогнозировать с требуемой для работы си-
стем ЗГ РЛС степенью точности, то необходима выделенная система управления частотой
( FMS — Frequency Management System). Система управления частотой должна предостав-
лять главной ЗГ РЛС информацию и рекомендации по условиям распространения в реаль-
ном масштабе времени и с учетом особенностей местоположения РЛС либо с помощью
баз эмпирических данных, либо с помощью основанных на них аналитических моделей.
Кроме того, ЗГ РЛС отличает то, что во избежание помех от большого числа пользователей
КВ-диапазона необходимо непрерывно контролировать занимаемый спектр по уровню су-
ществующих в нем непреднамеренных помех.
Критерием оценки частотного канала служит отношение сигнал/шум — ОСШ (SNR —
Signal-to-Noise Ratio), которое после доплеровской обработки мешающих отражений ока-
зывает решающее влияние на обнаружение быстро движущихся целей. Самолеты размера-
ми класса истребителей или больше могут быть легко обнаружены ЗГ РЛС. Ионосферный
канал создает временную модуляцию сигнала радара порядка долей секунды, которая ис-
кажает амплитуду и фазовый состав эха на интервале когерентной обработки. Это явле-
ние складывается с доплеровским сдвигом и расширяет отраженный КВ-сигнал. Чистота
доплеровского спектра представляет наиболее важный критерий при оценке частоты ка-
нала, особенно при обнаружении медленно движущихся целей, в которых полезные сиг-
налы должны быть обнаружены преимущественно в мешающих отражениях, а не шумах.
При благоприятных условиях ЗГ РЛС способна обнаруживать океанские корабли со сталь-
ным корпусом.
1.2.2.2. Характеристики системы
Если большинство обычных СВЧ-радаров системы однопозиционные1, которые работают
импульсными сигналами в классической моностатической конфигурации, многие ионо-
сферные ЗГ радиолокационные системы используют непрерывные сигналы в двухпозици-
онной конфигурации, в которой передатчик и приемник находятся в различных местах.
Двухпозиционная конфигурация берет свое начало от ЗГ РЛС, известной как (WARF — Wide
Aperture Research Facility, широкоапертурная научно-исследовательская установка), кото-
рая была построена в центральной Калифорнии сотрудниками и студентами Стэнфордско-
го университета в 1967 году, до того как он стал Стэнфордским научно-исследовательским
институтом ( Stanford Research Institute (SRI)). Этот новаторский ЗГ-радар, возможно,
представляет первую РЛС, которая убедительно продемонстрировала непрерывную работу
с использованием двух позиций для размещения оборудования. Другое наследие WARF,
которое явно присутствует во многих ЗГ РЛС, состоит в использовании в приемнике эле-
ментов унифицированной линейной антенны с очень широкой апертурой и вертикаль-
ной поляризацией, а на передаче используется антенная решетка, имеющая относительно
узкую апертуру с вертикально поляризованными логопериодическими диполями (ЛПДА,
LPDA — Log-Periodic Dipole Array) [Barnum, 1993].
На рис. 1.8 показана передающая антенна ЗГ РЛС Jindalee, расположенного в Хартс,
на расстоянии около 100 км к северо-востоку от Элис-Спрингс в Центральной Австралии,
а на рис. 1.9 показана приемная антенна ЗГ радара Jindalee, расположенная на горе Эве-
рард, примерно в 40 км к северо-западу от Элис-Спрингс. Хотя это и двухпозиционная ар-
хитектура ЗГ РЛС, но о ней часто говорят как о «квазимоностатической» конфигурации,
потому что расстояние между передающей и приемной площадкой (~100 км) значительно
меньше, чем диапазон действия радиолокатора (1000–3000 км).
Антенны СВЧ-радаров, как правило, имеют основной, самый крупный размер поряд-
ка нескольких метров, что делает возможным их размещение на различных платформах.
А раскрыв приемной антенны ЗГ РЛС может иметь 2–3 км в длину и передающую антенну
с апертурой 100–150 м. ЗГ РЛС нуждаются в очень больших площадях и открытых про-
странствах и при этом в зонах с низким уровнем внешних помех. Обычный микроволновый
радар может быть легко построен в виде единой системы и сканированием луча диаграммы
направленности с помощью механического вращения всей конструкции антенны. С дру-
гой стороны, OTH РЛС должны работать с использованием антенных систем на основе
многоканальных антенных решеток с электронным управлением и формированием диа-
грамм направленности на передачу и прием.
Кроме этих структурных различий, есть еще один важный аспект, который отлича-
ет ЗГ РЛС от ее микроволнового аналога. Конкретно загоризонтная радиолокационная
система работает более эффективно благодаря использованию специальной сети геогра-
фически распределенных вспомогательных датчиков для мониторинга текущего состояния
ионосферы. Этот дополнительный к главной РЛС набор датчиков, который раньше назы-
вали системой управления частотой (FMS), отслеживает также занятость каналов с тем,
чтобы свободные от сильных радиочастотных помех ( RFI — Radio Frequency Interference)
каналы могли быть выделены и рекомендованы для дальнейшего использования. Систе-
ма управления частотой — FMS, полезна не только для автоматизированного обеспечения
главной РЛС рекомендациями по оптимальному выбору частоты при выполнении кон-
кретной задачи или программы. Кроме этого, она облегчает преобразование траектории
цели, сформированной из координат РЛС, угла прихода сигнала и дальности, в географи-
ческие координаты цели (широта и долгота) в процессе, называемом определением коорди-
нат цели.
Несмотря на то что ЗГ РЛС для обеспечения устойчивого распространения сигналов
при изменяющихся условиях распространения необходима большая часть КВ-диапазона,
излучаемые сигналы имеют относительно небольшую полосу частот и занимают очень
узкие полосы спектра в любой заданный момент времени. Многие двухпозиционные
ЗГ РЛС передают повторяющиеся непрерывные сигналы с линейной частотной модуляци-
ей (ЛЧМ-сигнал, FMCW — Frequency Modulated Continuous Waveform) или ее вариант, ко-
торый имеет нужные свойства функции неопределенности и в то же время минимизирует
уровень внеполосных излучений. Сигнал радара «освещает» район наблюдения в течение
интервала когерентной обработки ИКО (CPI — Coherent Processing Interval) или периода
фиксации, в течение которого излучается несколько линейных ЧМ-импульсов или кача-
ний частоты, и система принимает отраженное эхо (сигнал от цели). Далее в главе 3 будут
представлены основные радиолокационные подсистемы, свойства линейной ЧМ (ЛЧМ-
сигнал) и система управления — FMS.
1.2.2.3. Обработка сигналов и условия распространения КВ-сигналов
На диаграмме (рис. 1.10) показаны различные виды сигналов, которые могут приниматься
ЗГ РЛС. В левой и правой ветвях показаны классы радиолокационных сигналов когерент-
ного и некогерентного типа соответственно. Когерентные сигналы излучаются передат-
чиком радара и могут дополнительно классифицироваться как мешающие отражения или
полезные сигналы (отражение от цели). В ЗГ РЛС мешающие отражения возникают из-
за обратного рассеяния от пространственно распределенных участков поверхности Зем-
ли или обратного рассеяния от других пассивных источников, которые не принадлежат
цели, например эхо вследствие кратковременной ионизации, создаваемой метеорными
следами.
Некогерентные сигналы присутствуют независимо от того, включен радар или выклю-
чен, далее могут быть разделены на искусственные и естественные помехи, создающие фо-
новый шум. Природный фоновый шум может быть либо галактического происхождения
(например Солнца и других звезд) или атмосферного происхождения (например грозовых
разрядов). С другой стороны, искусственные помехи можно рассматривать как непред-
намеренные (например электрические машины) или преднамеренные (например радио-
станции с AM). Вообще ЗГ РЛС разрешается использовать широкие полосы КВ-спектра
на вторичной основе. Взамен такие системы, в соответствии с национальными стандарта-
ми и нормативными документами Международного союза электросвязи (МСЭ), применя-
ют политику невмешательства, выбирая незанятые каналы, свободные от использования
другими лицами (радиотехническими системами). Свойства помех и шума, принимаемых
ЗГ РЛС, определяются не только природой и географическим расположением источни-
ков сонаправленных, попутных каналов, но и характеристиками среды распространения
(ионосферных каналов), которые на выбранной рабочей частоте объединяют различные
помехи и шумы источников в приемнике ЗГ-радара. Полный составной сигнал на входе
приемника содержит мешающие, паразитные отражения, помехи и шум. Характеристики
обнаружения (то есть после применения методов подавления нежелательных сигналов)
в отличие от энергии помех на входе приемника определяются остаточным уровнем и рас-
пределением энергии нежелательного сигнала на цели (доплеровская дальность и азимут)
в области поиска.
Для эффективного снижения уровня помех необходимы и совершенная обработка
сигналов, и управление частотой в режимах реального времени, которые в загоризонтных
радарных системах рассматриваются совместно, а не раздельно. Традиционно цифровые
коды управления, полученные приемной антенной РЛС во время облучения, используются
для формирования диаграммы направленности, оценки дальности и доплеровской обра-
ботки. Кроме этого, регулярно предпринимаются шаги по улучшению условий приема сиг-
нала при наличии кратковременных помех, возникающих от грозовых разрядов или отра-
жений от метеорных следов. Эти базовые этапы обработки сигналов описываются в 4 главе
при постоянном коэффициенте ложных тревог, максимальной оценке обнаружения, от-
слеживания и регистрации координат. Адаптивные методы обработки будут рассмотрены
в III части.
Важность обработки сигналов для успешной работы ЗГ РЛС можно проиллюстриро-
вать на простом примере. В отличие от наземных микроволновых радаров, которые благо-
даря приподнятой вверх диаграмме направленности могут в некоторых случаях избегать
сильного влияния мешающих отражений в рабочем диапазоне, ЗГ РЛС должна обнаружи-
вать эхо от цели при наличии мощного мешающего влияния отражений от больших площа-
дей земной поверхности, которые одновременно занимают все представляющее интерес
пространство. Хотя большая часть энергии КВ-сигнала, как правило, рассеивается в пря-
мом направлении, относительно большая часть энергии в элементе разрешения ЗГ РЛС
возвращается к приемнику в виде мешающих отражений, которые могут быть на 40 и до
80 дБ выше уровня отраженного от цели сигнала. Так как размеры этого элемента разреше-
ния (ячейки клетки растра) из-за практического ограничения на максимум произведения
ширины полосы частот и апертуры системы не могут быть уменьшены, то исключительно
большое значение для обнаружения целей имеет доплеровская обработка сигналов.
К счастью, частота КВ-сигналов при ионосферном распространении на интервалах
времени порядка секунд по большей части остается достаточно стабильной, а энергия
помех, отраженных от поверхности Земли, в основном ограничена небольшой поло-
сой доплеровских частот с центром около нуля герц и шириной менее нескольких герц1.
А с другой стороны, отражения от целей, движущихся с относительной скоростью vr,
имеют доплеровский сдвиг частоты, который определяется хорошо известным выраже-
нием fd = 2vr fc/c, где fc — несущая частота сигнала. Неманеврирующий самолет создает,
как правило, отражение с хорошо определяемым доплеровским сдвигом, которое чаще
всего находится в диапазоне между 5 и 50 Гц и обычно за пределами спектра помех отра-
жения в занимаемом участке доплеровского спектра. Важно отметить, что приемник дол-
жен иметь достаточный динамический диапазон для точного сохранения спектральных
характеристик сильных мешающих отражений и значительно более слабых отражений
эха. Это может быть реализовано с помощью доплеровского метода обработки сигналов
при соответствующем выборе конуса направленности, которые создают эффективные
средства разделения спектров эха цели и помех отражения по разным частотным полосам.
В идеальном случае это позволяет обнаруживать движущиеся цели на фоне более сильно-
го внешнего шума, превышающего обычно уровень собственного шума приемника, кото-
рый гораздо слабее уровня отраженных помех. На рис. 1.11 иллюстрируется на реальном
примере возможность обнаружения эха цели среди мешающих отражений с помощью до-
плеровской обработки сигналов.
1.2.3. Практические приложения применения
Основные задачи обзорных загоризонтных радиолокационных систем ионосферного рас-
пространения преимущественно заключаются в обнаружении и сопровождении целей.
Под эгидой обзорных приложений ионосферные ЗГ РЛС могут широко использоваться
в оборонных и в гражданских целях с различными приоритетами и классами целей, как,
например, самолеты и надводные корабли. Кроме задач наблюдения, ионосферные ЗГ РЛС
могут быть задействованы в сфере дистанционного зондирования, в том числе океаногра-
фических или ионосферных исследований. В этом случае полезные сигналы представлены
отражениями от естественных объектов, в то время как сигналы, отраженные от техноген-
ных объектов (скрытые цели), создают мешающие отражения.
Последующие разделы настоящей главы в основном не связаны с задачами дистан-
ционного зондирования, а преимущественно посвящены применению ЗГ РЛС в решении
задач оборонного и гражданского характера. Прикладное дистанционное зондирование
кратко рассмотрено ниже, но не обсуждается в деталях, так как эта тема достаточно об-
ширна и заслуживает того, чтобы стать предметом отдельного издания. Несмотря на то что
наблюдение и дистанционное зондирование представляют собой два наиболее распро-
страненных примера использования ионосферных ЗГ РЛС, эта технология может найти
и другие практические приложения и не ограничивается тем, что изложено далее.
1.2.3.1. Раннее обнаружение в обширной зоне наблюдения
Обзорные ЗГ РЛС и РЛС СВЧ прямой видимости имеют много общих типов целей. Пред-
ставляющие интерес воздушные цели могут быть представлены крылатыми и баллистиче-
скими ракетами, вертолетами и частными самолетами, военными самолетами (с разме-
рами истребителей или бомбардировщиков) и крупными гражданскими авиалайнерами.
С другой стороны, представляющие интерес цели на поверхности Земли могут оказаться
наземными транспортными средствами различного размера, маленькими быстроходными
катерами, океанскими рыболовными судами и большими стальными военными кораблями
(патрульные катера, крейсеры, эсминцы и авианосцы). Загоризонтные РЛС и РЛС пря-
мой видимости также имеют общие обзорные задачи, а именно обнаружение, локализация
и сопровождение цели, в процессе сканирования зоны контроля и поиска других целей, то
есть сопровождение в процессе сканирования. Важное различие между этими двумя систе-
мами заключается в том, что ЗГ РЛС обеспечивают более раннее предупреждение и в более
широкой зоне обзора, хотя и с более низким разрешением и точностью, чем традиционные
микроволновые РЛС.
Ограниченная точность ЗГ РЛС в общем означает, что такие системы не могут рас-
сматриваться как законченное решение, удовлетворяющее государственным интересам
и требованиям к наблюдению за воздушным и морским пространством. Роль ЗГ РЛС
в организации обороны необходимо оценивать с точки зрения того вклада, который она
предоставляет для национальной безопасности как одна из составляющих всего комплекса
средств наблюдения. Например, возможности раннего предупреждения с широкой зоной
обзора ЗГ РЛС могут быть использованы для подачи команд на подключение других ре-
сурсов в районы, в которых обнаружена необычная активность. Такие ресурсы могут быть
представлены высокоточными средствами наблюдения и разведки, установленными на мо-
бильных платформах, например на патрульных катерах или воздушных средствах дальне-
го радиолокационного предупреждения и управления самолетами. Возможность подачи
команд на подключение средств, которые имеют большую точность, но более ограничен-
ную зону обзора в режиме реального времени, создает предпосылки для структурных из-
менений в системе наблюдения. При наличии целостной системы контроля, сбора данных
и управления создаются условия для более эффективного реагирования на потенциальные
угрозы и более эффективного использования ресурсов, а возможно, и уменьшения числа
систем, которые должны создаваться и эксплуатироваться.
Как уже упоминалось выше, ЗГ РЛС сканирует зону наблюдения в режиме реального
времени, выполняя одно или несколько заданий, которые, как правило, сгруппированы.
В свою очередь, каждое задание формирует соответствующие зоны наблюдения, одну или
несколько. Рабочие параметры ЗГ РЛС могут изменяться от региона к региону. Рабочие
параметры зависят от назначения и местоположения региона наблюдения. На рис. 1.12 по-
казан набор типичных задач, соответствующих четырем основным видам гипотетических
ЗГ РЛС. Различные виды задач обозначены буквами от А до D. РЛС облучает («освещает»)
каждую зону DIR на интервале времени когерентной обработки, а затем в запланирован-
ном порядке последовательно обходит различные зоны DIR. В зависимости от выбранных
приоритетов во время последовательного обхода выполнение различных задач может
чередоваться, но при этом необходимо гарантировать, что темп повторного облучения
зоны будет достаточным, чтобы не допустить ухудшения показателей слежения.
Поскольку задачи ЗГ РЛС могут быть по-крупному разделены на воздушные цели
и цели на поверхности, то их структура и использование могут иметь различное тактиче-
ское назначение. Задача А обычно упоминается под общим названием «барьерной задачи».
Этот тип задач в основном предназначен для наблюдения за самолетами и должен обеспе-
чивать обнаружение целей, движущихся в определенном месте, представляющем «барьер».
Когда другие задачи не настолько активны, то задача B может рассматриваться как «задача
вглядывания», поскольку она обеспечивает непрерывный контроль, сосредоточенный на
одной области наблюдения. Данный тип задач может быть использован для сосредоточен-
ного слежения за аэропортами, стратегическими морскими линиями или, например, за ра-
кетными пусковыми установками.
Задачу C можно отнести к задаче «силовой защиты». Она может быть использована для
обеспечения наблюдения за воздушными линиями или передвижениями военно-морского
флота в заданных местах. Задача D — это дистанционное зондирование, которое может
использоваться при составлении карт волнения моря и ветров или отслеживания цикло-
нов. Поскольку эти задачи используют определенный радиолокационный ресурс, то, как
правило, они решаются в отрыве от основных задач радиолокационного зондирования.
Задачи воздушного и наземного зондирования часто несовместимы (из-за различий в дли-
тельностях временной выдержки) и проводятся раздельно, а разработчику системы необхо-
димо обеспечить высокий темп проведения текущего и последующих обзоров. Выбор типа
задачи зависит не только от планирования ресурса и совместимости задач, но также и от
пригодности применения в данных условиях распространения.
Сформированную ЗГ РЛС картину воздушной и наземной обстановки можно ис-
пользовать несколькими способами. Как показано в [Cameron, 1995], данные ЗГ РЛС мо-
гут использоваться вооруженными силами непосредственно до и после обработки. В по-
следнем случае информация, собранная за определенный период времени, объединяется
и создается систематизированная база знаний о происходящем в представляющей интерес
области, либо во время боевых действий информация отслеживается в режиме реального
времени и представляет живую картину происходящего в воздухе и на земле. Такой подход
призван помочь военному командованию в постановке задач и тактическом развертыва-
нии оборонных средств наилучшим образом. Важно отметить то, что проведение ЗГ РЛС
классификации целей очень широким диапазоном характеристик чрезвычайно затрудне-
но, например оценивание высоты цели, хотя прогресс в последнем вопросе был достигнут.
Возможности наблюдения посредством ЗГ РЛС дают не только ценную информацию для
своевременного предупреждения о критических ситуациях, но и сведения для дальнего на-
блюдения, которые могут быть использованы в качестве сдерживающего фактора эскала-
ции конфликтов [Cameron, 1995].
Данные, получаемые ЗГ РЛС, могут использоваться в гражданских целях, для контро-
ля морского и воздушного пространства вне диапазона обычных РЛС прямой видимости.
Например, данные радиолокационных наблюдений ЗГ РЛС могут помочь правоохрани-
тельным органам бороться с трафиком наркотиков, используя мониторинг стратегиче-
ских воздушных и морских маршрутов, предпочитаемых поставщиками наркотиков. На-
пример, небольшой частный самолет, который используется в качестве транспортного
средства незаконного оборота наркотиков через международные границы, может быть
обнаружен и отслежен ЗГ РЛС с последующим представлением береговой охране или
другим органам государственной власти сведений для перехвата и изъятия наркотиков
[Ciboci, 1998].
ЗГ РЛС могут быть также использованы для обнаружения незаконной рыбной ловли
в прибрежных водах и для защиты морских буровых платформ, предупреждая патрульные
средства о присутствии неопознанных морских целей. Данные о наземных и морских трассах
могут помочь иммиграционным и таможенным органам в охране границы, в обнаружении
судов, используемых для незаконного перевоза людей — «контрабанды людей», особенно
на подходах к малонаселенной береговой линии, неохваченной другими средствами кон-
троля. ЗГ РЛС могут также использоваться для оказания помощи в поисково-спасательных
операциях.
1.2.3.2. Дистанционное зондирование
В отличие от обнаружения и отслеживания техногенных целей, радиолокационные си-
стемы ЗГ РЛС также могут быть использованы для мониторинга окружающей среды в об-
ширных или труднодоступных регионах. Известны по крайней мере два основных при-
менения дистанционного зондирования, в которых методы КВ-радиолокации уже внесли
существенный вклад: это формирование климатологических баз данных для исследования
ионосферы, а также отображения состояния моря и связанное с этим картографирование
поверхностных ветров. Более подробная информация относительно взаимодействия КВ-
радиоволн с ионосферой и поверхностью океана появится в главах 2 и 5 соответственно.
Хотя такое взаимодействие подразумевается при описывании приложений радиолокаци-
онного наблюдения ЗГ РЛС, большую часть информации уместно упомянуть в связи с дис-
танционным зондированием. В данном разделе кратко обсуждаются два основных аспекта
применения КВ-радаров в дистанционном зондировании. Для более углубленного зна-
комства с вопросом сделаны соответствующие ссылки.
В середине 1920-х годов методы, которые предшествовали современным КВ-радарам,
были использованы сэром Эдвардом Эпплтоном в Великобритании и Г. Брейтом и М. Туве
в Соединенных Штатах для доказательства существования ионосферы. Более конкретно
Эпплтон и его коллеги в 1924 году разработали ионозонд и с тем, чтобы убедительно до-
казать существование электрически заряженного слоя, который Эпплтон назвал E-слоем,
начали наземное зондирование с использованием частотно-модулированных непрерыв-
ных сигналов. В следующем году Эпплтон обнаружил второй отражающий слой, который
он назвал F-слоем. Примерно в то же время Брейт и Туве для исследования свойств эха, от-
раженного от различных слоев ионосферы, используют оборудование ВЧ-зондирования,
применяя импульсные сигналы. В настоящее время радиозондирование ионосферы, осно-
ванное на принципах радиолокации, проводится регулярно. Анализ высотной структуры
и морфологии ионизации верхних слоев атмосферы в широком пространственном и вре-
менном диапазонах проводится современными средствами вертикального и наклонного
зондирования.
Физические модели, описывающие распространение радиоволн через ионосферу, мо-
гут использовать обращенное эхо КВ-следов для оценки профиля плотности ионизации
по высоте в разное время и в разных местах. Сбор информации всемирными сетями зонди-
рующих станций способствовал созданию эмпирических баз данных и моделей поведения
ионосферы как функции времени и географических координат. Такие инструменты исполь-
зуются также для изучения образований и движения неоднородностей плотности электро-
нов и перемещающихся ионосферных возмущений. Подробные свойства распростране-
ния сигнала, такие как многолучевая временная дисперсия, скорость и глубина замирания
и доплеровский сдвиг и/или расширение частоты, были проанализированы с точки зрения
разработки КВ-систем, использующих ионосферное распространение. Уточняющие све-
дения по использованию методов радиозондирования для дистанционного сбора данных
о структуре и динамике ионосферы можно найти в работе [Davies, 1990].
Основу дистанционного зондирования состояния моря КВ-радарами составляет то
обстоятельство, что детальная структура спектра эха Доплера содержит существенную ин-
формацию о характеристиках поверхности океана и связанных с ними поверхностных ве-
тровых полях. В частности, сформулированная при относительно мягких предположениях
[Barrick, 1972a] взаимосвязь между спектром высот направленных волн на морской по-
верхности и структурой доплеровского спектра рассеянного эха предоставляет теоретиче-
скую основу для оценки и сопоставления океанографических параметров с помощью КВ-
радаров. Основываясь на физической модели рассеивающего поля поверхности океана,
предложенной Барриком, доплеровский спектр морского эха в элементе разрешения кон-
кретной РЛС можно использовать для создания пространственно-ориентированных океа-
нографических баз данных. По этим данным аналитическими средствами оцениваются
характеристики поверхностных ветровых полей, связанные с волнением моря.
Ионосферные КВ РЛС и на поверхностных волнах использовались для оценки спек-
тра направленной высоты океанских волн и картографирования поверхностных ветров
по скорости и направлению. Системы на поверхностных волнах, как правило, считаются
более подходящими ионосферными системами для выделения океанографических параме-
тров. Первые системы относительно более восприимчивы к разнообразию ионосферных
явлений, в то время как охват последних ограничивается относительно короткими рас-
стояниями. Качество данных ионосферных ЗГ РЛС в значительной степени определяется
сложностью многолучевого распространения и «загрязнением» спектра сигналов ионо-
сферой. При измерении скорости течений в верхнем слое океана в ионосферном режиме
необходима также опорная нулевая частота (0 Гц) Доплера (например эхо от земли) для
отделения доплеровских сдвигов, внесенных ионосферой. Более подробную информацию
по применению КВ-радаров в дистанционном зондировании поверхности океана можно
найти в книге [Anderson, 1986] и в ее ссылках.
1.3. Основное уравнение КВ-радара
В настоящем разделе в целях лучшего понимания существенных различий между загори-
зонтными и микроволновыми радарами обсуждается каждое слагаемое в правой части
уравнения (1.3). Обратите внимание, что такая форма отношения сигнал/шум в уравнении
радара подходит для оценки показателей обнаружения цели в условиях ограниченных шумов.
Общепринятая форма уравнения радиолокации ЗГ РЛС включает в качестве аргумента
отношение сигнал/шум — ОСШ и для моностатической, однопозиционной (или квази-
моностатической) системы может быть представлена в виде уравнения (1.3) [Сколник,
2015]. Исходя из приведенных на рис. 1.13 определений элементов уравнения, можно отме-
тить, что уравнение ЗГ РЛС имеет математическую форму, аналогичную знакомой форме
уравнения (импульсно-доплеровской) СВЧ РЛС. Тем не менее между этими двумя типа-
ми РЛС есть существенные различия, которые заключаются в деталях области назначения
переменных и количественных показателей отдельных членов:
То есть в тех случаях, когда радиальная скорость цели приводит к росту доплеровского
сдвига настолько, что это достаточно для размещения эха цели в области доплеровской
частоты отдельно от шума, которой превосходит паразитные отражения.
В практических ситуациях версия уравнения радара (1.3) с ограничением шумами
непригодна для оценки эффективности обнаружения целей. В этом случае доплеровская
частота отражений от цели лежит в области спектра, в которой паразитные отражения пре-
вышают шум. В условиях ионосферного распространения со стабильной частотой сигнала
ЗГ РЛС паразитные отражения, как правило, превышают шум в относительно небольшой
полосе доплеровских частот (шириной в несколько герц и центром около нуля герц), ха-
рактерных для судов и воздушных целей, которые, как правило, обнаруживаются на фоне
мешающих, паразитных отражений и шума соответственно.
При неблагоприятных условиях распространения динамичные нарушения в ионосфе-
ре со скоростями в сотни километров в час могут создавать сильные рассеивающие по-
мехи с доплеровским расширением, которые ограничивают обнаружение движущихся
медленных и быстрых целей. В условиях преобладающих паразитных, мешающих помех
основным показателем эффективности обнаружения становится отношение сигнал/поме-
ха — ОСП (SCR — Signal-to-Clutter Ratio) и следует использовать альтернативную форму
уравнения радиолокации. Для удобства в этой главе будем ссылаться на уравнение (1.3),
а версия уравнения радиолокации КВ РЛС с ОСП обсуждается в 5 главе.
1.3.1. Наклонная дальность
Член R в формуле (1.3) относится к длине пути ионосферного сигнала в одну сторону
от РЛС до цели с отражением от ионосферы. Это расстояние известно как наклонная даль-
ность трассы прохождения сигнала, в отличие от расстояния, измеренного по поверхности
Земли. Помимо трудностей использования ионосферы в качестве среды распространения,
серьезные проблемы проектирования создаются при определении чистой длины (верти-
кальной) пути радиолокационного сигнала ЗГ РЛС. Конкретно уравнение (1.3) показыва-
ет, что ОСШ падает в четвертой степени от наклонной дальности R, а это приводит к очень
высоким потерям распространения, даже когда зона наблюдения ограничивается одним
пролетом — скачком (то есть те области, которые освещаются при одном отражении от ио-
носферы).
Это означает, что для увеличения длины траектории R (по сравнению с обычным рада-
ром прямой видимости) ЗГ РЛС из-за двустороннего распространения приобретает 40 дБ
потерь в соотношении сигнала и шума — ОСШ (SNR). Для обнаружения целей на более
дальних расстояниях ЗГ РЛС должна компенсировать эти дополнительные потери распро-
странения. Другими словами, 40 дБ дефицита в ОСШ по сравнению с РЛС прямой види-
мости должны компенсироваться за счет распределения запаса мощности ЗГ РЛС с учетом
других составляющих, которые входят в уравнение радиолокации и которые может изме-
нять разработчик. Как будет видно далее в этом разделе, именно такие соображения фор-
мируют технические и эксплуатационные характеристики систем ЗГ РЛС.
1.3.2. Передаваемая мощность
Средняя мощность Pave, излучаемая передающей системой ЗГ РЛС, может изменяться
от примерно 10 кВт до 1 МВт и выше. Этот большой диапазон объясняет причины такого
разнообразия конструкций систем, видов их назначения и требований к характеристикам.
Высокая мощность передачи улучшает ОСШ и, следовательно, чувствительность радара
в условиях, ограниченных действием шумов. На практике это главным образом повышает
эффективность обнаружения быстро движущихся воздушных целей, особенно с неболь-
шой эффективной отражающей площадью цели (или эффективной поверхностью рассея-
ния) — ЭПР (RCS — Radar Cross Section). В условиях, ограниченных действием мешаю-
щих, паразитных отражений, не ожидается, что увеличение Pave приводит к улучшению
возможностей обнаружения целей. Для медленно движущихся по поверхности целей
Pave может быть в принципе понижена без ущерба для показателей обнаружения до цели
(или эффективной поверхностью рассеяния), пока не будет достигнута точка, в которой
шум начинает доминировать над мешающими отражениями во всем пространстве обзора
скоростной цели. Высокая излучаемая мощность обычно дает наибольший положительный
эффект при обнаружении самолетов, особенно ночью, когда частоты и размер ЭПР цели
меньше, а атмосферный шум выше. Если медленные корабли, как правило, должны быть
обнаружены в условиях сильных мешающих отражений, то высокая мощность излучения
часто не играет существенной роли в улучшении показателей обнаружения таких целей.
Оперативные ЗГ РЛС, предназначенные в первую очередь для обнаружения и сопро-
вождения воздушных целей, как правило, излучают сигналы со средним уровнем мощно-
сти в диапазоне от 200 до 600 кВт. Заметим, что такие величины в 100 раз (20 дБ) больше
по сравнению с несколькими киловаттами средней мощности, используемой обычным ра-
даром управления воздушным трафиком ( ATC — Air Traffic Control). Согласно уравнению
(1.3) это обеспечивает выигрыш ОСШ 20 дБ относительно ЗГ РЛС, что (само по себе) не-
достаточно для компенсации 40 дБ потерь в ОСШ из-за двунаправленного распростране-
ния. Тем не менее большая мощность на передаче существенно сокращает дефицит ОСШ
в 40 дБ.
Когерентная последовательность одинаковых импульсов сигнала только с амплитуд-
ной, частотной или фазовой модуляцией может быть использована в работе ЗГ РЛС с со-
вмещенными системами приема и передачи. Несмотря на то что конфигурация моноста-
тической, однопозиционной РЛС предоставляет ряд эксплуатационных и экономических
преимуществ по сравнению с бистатической, двухпозиционной структурой, использова-
ние импульсных сигналов с низким коэффициентом заполнения способствует снижению
средней мощности, которая должна излучаться реальным передатчиком с конечной пико-
вой мощностью. Поэтому в некоторых радиолокационных системах ЗГ РЛС для повышения
их чувствительности при наличии шумов предпочтение было отдано непрерывным или
импульсным сигналам с единичным коэффициентом заполнения. Кроме оптимального
с точки зрения ОСШ использования ресурса на передаче, другие преимущества исполь-
зования ЗГ РЛС непрерывных сигналов, связанные с контролем внеполосных излучений,
будут представлены в главе 4.
Для эффективной работы ЗГ РЛС, как правило, требуется, чтобы во время единич-
ного рабочего цикла радиотракты передачи и приема сигналов были физически разделе-
ны. Выбор способа повышения ОСШ при использовании таких сигналов, в свою очередь,
приводит к бистатической (или квазимоностатической) структуре ЗГ РЛС. Данный аспект
структуры отличает большинство ЗГ РЛС от подавляющего большинства микроволновых
радаров. Расстояние между позициями около 100 км над сушей, как правило, обеспечи-
вает достаточную изоляцию между передатчиком и приемником ЗГ РЛС из-за сильного
затухания сигнала при его непосредственном распространении поверхностной волной от
точки передачи до точки приема. Такая конфигурация повышает чувствительность на фоне
шума, но это увеличивает стоимость и исключает четкую идентичность двустороннего рас-
пространения. При квазимоностатической конфигурации исходящие и входящие траек-
тории распространения радиолуча проходят через близко расположенные друг к другу об-
ласти отражения в ионосфере и часто могут рассматриваться как почти однопозиционная
конфигурация из-за малых бистатических углов (как правило, менее 5 градусов).
1.3.3. Усиление антенны
Коэффициент усиления антенн (на передачу или прием) ЗГ РЛС определяется произве-
дением коэффициентов усиления элемента и антенной решетки. Компоненты усиления
решетки связаны с шириной основного лепестка диаграммы направленности и, следова-
тельно, с пространственным (угловым) разрешением антенны. Более подробно характери-
стики антенн радиолокационной ЗГ РЛС обсуждаются в главе 3. В этом разделе рассмотрим
некоторые основные свойства ЗГ РЛС радиолокационных антенн в рамках уравнения (1.3),
отметив, что различные антенны используются для передачи и приема в бистатической,
двухпозиционной системе.
Для получения высокого коэффициента усиления и разрешения, сравнимого с обыч-
ными радиолокационными антеннами, ЗГ РЛС необходимы очень большие апертуры, так
как длины волн КВ-сигнала на три порядка больше волн на сверхвысоких частотах. Напри-
мер, апертура приемной антенны ЗГ РЛС может быть длиной до 3 километров, а это почти
в 1000 раз больше основного размера радиолокационной антенны микроволнового диа-
пазона обычного радара управления воздушным трафиком. Исходя из практических со-
ображений радиолокационные антенны ЗГ РЛС реализованы исключительно в виде фик-
сированных многоканальных антенных массивов — решеток из элементов проволочного
типа, которые позволяют синтезировать диаграмму направленности на передачу и прием
электронными средствами.
Обычно приемная антенная решетка ЗГ РЛС имеет очень широкую апертуру с элек-
тронным (одновременным) управлением, формируя множество «пальцев» — лучей с вы-
соким коэффициентом усиления и пространственным разрешением, позволяющим обна-
ружить цели в среде с ограниченным шумом и мешающими отражениями соответственно
и, кроме этого, повысить точность локализации цели при сопровождении.
В зависимости от рабочей частоты луч приемной антенны ЗГ РЛС в КВ-диапазоне мо-
жет иметь усиление Gr = 25–35 дБ и ширину (по уровню половинной мощности) главного
лепестка диаграммы направленности 0,2–2 градусов. Передающая антенна, как правило,
имеет более низкий коэффициент усиления порядка Gr = 15–25 дБ и более широкий луч
основного лепестка диаграммы шириной приблизительно 10–20 градусов. Относительно
низкий коэффициент усиления передающей антенны согласован с ОСШ для увеличения
зоны одновременного (мгновенного) наблюдения или дальности наблюдения, поскольку
чем шире луч, тем бо льшая область может быть одновременно освещена ЗГ РЛС с исполь-
зованием одной частоты на фиксированном временном интервале.
ЗГ РЛС на прием и передачу используют линейные антенны с апертурой, обеспечи-
вающей обзор до 90 градусов по азимуту. Обзор может расширяться до 180 или 360 градусов
с использованием нескольких линейных антенных решеток (ЛАР, ULA — Uniform Linear
Array) вращением направления пеленга или двухмерной расстановки на земле решетки
антенных элементов (например L-образной или У-образной антенны). Если нет возмож-
ности независимого управления лучом по углу места, то вертикальные размеры диаграмм
направленности передающей и приемной антенн должны быть относительно широкими.
Вертикальная диаграмма обеспечивает высокий коэффициент усиления при углах места
от почти скользящего до 40 градусов и, как правило, требуемую область наблюдения при
изменении состояний ионосферы.
Диаграммы излучения КВ-антенны существенно зависят от электрических свойств
подстилающей поверхности земли. Для стабилизации поверхностного импеданса и обе-
спечения реализации работы при малых углах места на земельных участках в основании
и в передней части передающей и приемной антенных систем обычно устанавливают экра-
ны. Для антенных систем с возможностью автономного управления диаграммой по углу
места вертикальная диаграмма направленности может формироваться электронным спо-
собом при более эффективном использовании излучаемой мощности с увеличением угла
места диаграммы при облучении области наблюдения. Это позволяет повысить чувстви-
тельность РЛС в таких специфичных условиях ионосферы, когда область наблюдения об-
лучается в сравнительно узком диапазоне углов места.
1.3.4. Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели
Основные размеры наблюдаемых объектов, таких как самолеты, ракеты, морские суда
и вездеходы, соизмеримы с длиной волны КВ-сигналов = 10–100 м. Следовательно, ЭПР
цели попадает в резонансную область рассеяния Рэлея ЗГ РЛС. С другой стороны, СВЧ-
сигналы имеют длину волны порядка сантиметров, что для обычных радиолокационных
систем означает видимость ЭПР одних и тех же целей в оптической области. Большой раз-
рыв между частотами сигнала приводит к принципиально разным характеристикам ЭПР
цели для ЗГ РЛС и СВЧ-радаров.
Например, ЭПР самых маленьких пилотируемых или беспилотных целей соизмеримы
с размерами ракет длиной 10 м и при работе ЗГ РЛС в нижней части КВ-диапазона ле-
жат в области рэлеевского рассеяния. В этой области с уменьшением частоты (примерно
до четвертой степени частоты) ЭПР цели резко падает и становится неразрешимой. И на-
против, если РЛС работает вблизи высокочастотной части КВ-диапазона, то ЭПР таких
целей имеет характеристики резонансной области. В области резонанса ЭПР цели может
увеличиваться или уменьшаться с приближением частоты к границам диапазона, а также
имеет бо льшую, чем в области Рэлея (но, как правило, выше в среднем), чувствительность
к геометрии обзора.
Приведем некоторые числовые показатели. Скалярный усредненный угол ЭПР само-
лета такого размера, как истребитель, на характерных для ЗГ РЛС рабочих частотах может
находиться в диапазоне = 10–20 дБм2 1. Большие самолеты, коммерческие авиалайнеры
могут иметь средние значения ЭПР, = 20–30 дБм2, а крупные со стальным корпусом оке-
анские суда могут иметь значения = 30–40 дБм2 или выше. За исключением упомянутых
ранее мельчайших техногенных целей, величина ЭПР для целей с характеристиками рас-
сеяния, которые попадают в резонансную область частот ЗГ РЛС, порой может быть боль-
ше, чем те, которые встречаются на одной и той же цели в режиме оптического рассеяния
на сверхвысоких частотах [Сколник, 2015].
1.3.5. Время интеграции
Доплеровская обработка выполняется в течение интервала времени облучения — T, кото-
рый также называется интервалом когерентной обработки — ИКО, равным периоду по-
вторения сигнала, умноженному на полное число импульсов. Интервал ИКО ЗГ РЛС, как
правило, изменяется от Т = 1–4 секунд для обнаружения самолетов и Т = 10–40 секунд или
более для обнаружения судов. Эти ИКО от 100 до 1000 раз больше, чем обычно исполь-
зующиеся в радиолокационных системах СВЧ, в которых время облучения, как правило,
измеряется десятками миллисекунд. В сравнении с микроволновой РЛС это дает ЗГ РЛС
дополнительный выигрыш от шума в 20–30 дБ. В сочетании с относительным выигрышем
20 дБ в средней мощности на передаче эти два фактора эффективно компенсируют дефи-
цит в 40 дБ, обусловленный потерями в тракте распространения ЗГ РЛС при работе на
большую дальность.
Стоит заметить, что ЗГ РЛС могут использовать такие длинные ИКО, не сталкиваясь
с проблемой низкой разрешающей способности по дальности или азимуту. Длинные интер-
валы времени облучения ЗГ РЛС также способствуют чрезвычайно высокой разрешающей
способности доплеровской частоты. Высокая доплеровская разрешающая способность
необходима для разделения эха медленно движущейся цели от мешающих, маскирующих
отражений от поверхности, особенно при обнаружении кораблей. Например, при самой
низкой разрешающей способности доплеровской частоты 0,1 Гц в режиме обзора поверх-
ности на несущей частоте 15 МГц обеспечивается радиальное разрешение скоростей 1 м/с
(3,6 км/ч или 1,9 узла). Такая же степень разрешения скорости может быть получена при
разрешающей способности доплеровской частоты 20 Гц (время обзора Т = 50 мс) на несу-
щей частоте 3 ГГц. Кроме этого, высокая доплеровская разрешающая способность нужна
ЗГ РЛС для того, чтобы сформировать независимые группы многолучевого распростране-
ния, которые возникают от разных целей в том же самом или аналогичном пространстве
ячейки разрешения, особенно в задачах авиационного обнаружения.
1.3.6. Общие потери
Общие потери L = LpLs в уравнении (1.3) включают в себя потери распространения Lp
и станционные потери Ls. При ограничении рассмотрения тракта с одним пролетом или
«скачком», то есть без отражения от поверхности Земли, потери ионосферного распро-
странения представляют результат двух основных процессов, известных как поглощение
с изменением траектории (поглощение в отклоняющем слое ионосферы — отклоняющее
поглощение) и поглощение без изменения траектории (неотклоняющее поглощение). По-
следний вид происходит преимущественно в слое D ионосферы на высоте около 60–90 км.
В слое D энергия падающей КВ-волны не отражается и несильно отклоняется, но при
этом частично поглощается из-за столкновения возбужденных распространяющейся
электромагнитной волной электронов с нейтральными молекулами воздуха. В диапазоне
КВ степень поглощения без изменения траектории с хорошей точностью обратно про-
порциональна квадрату рабочей частоты и, как правило, самая высокая в середине дня,
когда плотность ионизации в D-области достигает своего максимума. При нормальных
условиях (слой D в средних широтах) потери прохождения в обе стороны могут составлять
Lр = 3–6 дБ. На характерных для ЗГ РЛС рабочих частотах и при распространении с одним
скачком таких значений потерь можно ожидать при их усреднении за день.
Ночью в средних широтах слой D фактически исчезает и поглощение без изменения
траектории часто становится пренебрежимо малым. С другой стороны, поглощение с от-
клонением происходит, когда эквивалентная вертикальная составляющая частоты радио-
волны близка к критической частоте отражающего слоя. Этот тип поглощения и опреде-
ление этих частот рассматриваются в следующей главе. Нижний слой также может мешать
сигналам РЛС проходить в более высокие слои ионосферы и, следовательно, ограничивает
энергию сигналов, которые могут распространяться на большие расстояния. Это явление,
известное еще как «подушка», также обсуждается во 2 главе. При больших углах места
неотклоняющее поглощение имеет место и при прохождении Е-слоя (при отражении от
F-слоя).
Станционные потери в системе ЗГ РЛС аналогичны потерям в трактах аппаратуры
микроволновой РЛС. Они включают в себя потери в аналоговых частях приемной системы
(например антенны и блоки ВЧ-аппаратуры), а также потери цифровых этапов обработки
сигналов (например окна, используемые для контроля утечек спектра спектральных со-
ставляющих). Станционные потери могут быстро накапливаться до Ls = 9–12 дБ и более,
особенно на низких боковых лепестках частотной характеристики, используемой для сжа-
тия импульса, обработки Доплера и формирования диаграммы направленности антенной
решетки. Эту оценку потерь в станционной части системы можно добавить к оценкам по-
терь днем и ночью при распространении (за исключением поглощения с изменением тра-
ектории и подушки) и получить укрупненное, но типичное значение суммарных потерь L
от 9 до 18 дБ.
1.3.7. Постоянная распространения
Коэффициент потерь Fp объединяет в себе различные явления, наблюдаемые при распро-
странении волн и которые более основательно обсуждаются во 2 главе. Кратко этот член
объединяет в себе: (1) влияние эффекта Фарадея на потери рассогласования по поляриза-
ции (несоответствие между простыми и экстраординарными магнитоионными компонен-
тами), которые изменяют поляризацию сигнала во время двухстороннего ионосферного
тракта, (2) фокусировку и дефокусировку лучей, падающих под большими и малыми угла-
ми, а также интерференцию неразличимых из-за отражений в различных слоях атмосфе-
ры составляющих многолучевого распространения сигнала и (3) замирания, вызванные
флуктуацией неравномерности плотности электронов в слоях E и F ионосферы на высотах
100–600 км. При благоприятных условиях постоянная распространения может давать уси-
ление плотности энергии Fp = 3–6 дБ.
1.3.8. Шум окружающей среды
В уравнении ЗГ РЛС в спектральной плотности мощности шума No доминирует вклад внеш-
них источников, тогда как в радиолокационных системах СВЧ в No, как правило, преобла-
дает собственный (тепловой) шум в приемном тракте станции. Спектральная плотность
мощности внешнего фонового шума естественных источников, которая наблюдается в той
части спектра КВ-диапазона, которая не занята другими пользователями, часто превышает
уровень внутреннего шума приемника ЗГ РЛС на 10–30 дБ. В местах с низким уровнем
шума естественных источников среди атмосферных, как правило, доминируют фоновые
шумы в нижнем диапазоне ВЧ, а галактический шум, как правило, доминирует в верхней
части ВЧ-диапазона. Принципиальное различие между КВ и СВЧ РЛС заключается в том,
что величина No (и, следовательно, ОСШ) является функцией времени и существенно из-
меняется в течение суток и времени года, а также в зависимости от места расположения
приемника, значения частоты, азимута и угла места диаграммы направленности антенны.
Зависимость от азимута и угла места диаграммы можно наблюдать при крайне высокой на-
правленности приемной антенны ЗГ РЛС.
В отдаленных районах спектральная плотность фонового шума в незанятом частот-
ном канале в середине КВ-диапазона и в неизменных условиях на протяжении дня может
составить величину, примерно равную −185 дБВт/Гц. Непреднамеренное воздействие ис-
кусственного излучения электрического оборудования или внеполосное излучение других
пользователей в КВ-диапазоне неизбежно поднимает уровень фонового шума. Близость
приемной станции к населенным пунктам может поднять спектральную плотность «фо-
нового шума» более чем на 10 дБ в сельской местности и на 20 дБ и выше в жилых районах
по сравнению с уровнем шума удаленных районов. Это подчеркивает важность размеще-
ния приемника ЗГ РЛС подальше от городов и промышленных районов.
Важно отметить, что спектральная плотность внешнего шума, представленная чле-
ном No в уравнении радара, не совсем независима от усиления приемной антенны Gr. На-
помним, что коэффициент усиления приемной антенны выражается как Gr = Ge • Ga, где
Ge — усиление диаграммы направленности отдельного элемента антенной решетки (пред-
полагается одинаковым для всех элементов), а Ga — множитель решетки, обусловленный
электронным процессом управления направленностью луча. Так как диаграмма направ-
ленности отдельного элемента решетки достаточно широка, то она фактически одинаково
усиливает и сигналы, и шум, а это означает, что увеличение Ge (а следовательно, и Gr) ведет
к соответствующему увеличению No. Исходя из этого, пришли к выводу, что антенные эле-
менты, хорошо согласованные с рабочей частотой на прием, не дают никакого выигрыша
в ОСШ.
В случае пространственного распределения внешнего шума в виде «белого шума» этот
вывод явно оправданн. На практике единственная составляющая усиления приемной ан-
тенны, которая может увеличить ОСШ в уравнении радара, — это множитель решетки
(коэффициент установки), который зависит от числа элементов и их относительного раз-
мещения. Однако если внешний шум обладает достаточной пространственной структурой
и приемные элементы хорошо согласованы с рабочей частотой, то установочный коэффи-
циент может, в принципе, быть использован для снижения пространственного «цветного»
внешнего шума, принимаемого из других направлений, отличающихся от направления по-
лезного сигнала, до порогового уровня собственных шумов. Этот тонкий момент потен-
циально может привести к важным последствиям, связанным с улучшением ОСШ с по-
мощью лучшего подбора элементов приемной антенны.
1.3.9. Численный пример
В первом приближении вычисление ОСШ на выходе для конкретного случая ЗГ РЛС мо-
жет быть выполнено непосредственной подстановкой в уравнение (1.3) типичных число-
вых значений переменных. Уравнение (1.3) удобно представить в логарифмической форме
уравнения (1.4), в котором числовые значения всех членов выражены в логарифмических
единицах, то есть в децибелах. Полученное в итоге ОСШ не следует рассматривать в каче-
стве точного показателя реальной радиолокационной системы ЗГ РЛС, а только как про-
стое упражнение, которое на простом примере дает лишь общее представление о практи-
ческой реализуемости обнаружения цели:
Детальный анализ характеристик ОСШ нуждается в использовании сложных моделей
радио локационных систем, каналов распространения, рассеяния от целей и шума окру-
жающей среды. Такие модели должны одновременно учитывать все статистические свой-
ства всех членов уравнения ЗГ РЛС. Например, климатологические модели, опирающиеся
на эмпирические базы данных, могут быть использованы как информационные справоч-
ники по состоянию ионосферы, условиям окружающей среды и статистическим данным
шумов. Такой подход был использован [Root, Headrick, 1993], а также [Headrick, Root,
Thomason, 1995] для получения реалистичных оценок работы ЗГ РЛС, учитывающих осо-
бенности места их размещения.
Рассмотрим ЗГ РЛС со средней мощностью передачи Pave = 200 кВт (53 дБВт), работаю-
щую на несущей частоте fc = 20 МГц, при коэффициенте усиления передающей антенны
Gt = 20 дБ и коэффициенте усиления приемной антенны Gr = 30 дБ. Рабочая длина волны
= 15 м (2 = 24 дБм2). Предположим, что состояние ионосферы днем позволяет на этой
частоте облучать область, содержащую одну цель при наклонной дальности R = 3000 км
(R4 = 259 дБм4). Это соответствует расстоянию по земле около 2900 км при распростране-
нии с одним пролетом — скачком — и виртуальной высоте отражения hv = 300 км. Пред-
положим, что в зоне обзора присутствует истребитель, который имеет усредненную ЭПР,
равную = 15 дБм2, и что на интервале когерентной обработки (ИКО) его радиальная
скорость может считаться постоянной. Доплеровский сдвиг эха цели, как предполагается,
достаточно большой для того, чтобы дать хорошее разрешение на фоне мешающих отраже-
ний от поверхности ИКО, равной T = 1 сек. (T = 0 дБсек).
Чтобы было ясно, предположим, что обнаружению эха цели противодействуют воз-
мущения окружающей среды, которые после доплеровской обработки превышают внеш-
ний фоновый шум. Предполагается режим двустороннего распространения с выигрышем
от фокусировки Fp = 3 дБ, а потери в тракте распространения за счет поглощения Lp = 6 дБ.
Объединяя эти потери на трассе с потерями в системе Ls = 10 дБ, получим величину полных
потерь L = 16 дБ. Номинальное значение спектральной плотности мощности фонового
шума на входе приемника на протяжении полосы частот свободного канала около 20 МГц
можно принять равным No = −185 дБВт/Гц. Подставляя эти числовые значения в формулу
(1.4) и вычисляя, как показано в (1.5), получим значение ОСШ на выходе, равное 22 дБ.
А если прочитать, что на «обратной стороне открытки», то расчет показывает возмож-
ность обнаружения воздушной цели с использованием уровня порога принятия решения
на 15 дБ выше порогового уровня шумов, поддерживая при этом приемлемый уровень лож-
ных тревог:
S/N = {53 + 20 + 30 + 0 + 24 + 15 + 3} − {33 + 16 − 185 + 259} = 22 дБ. (1.5)
1.4. Номинальные возможности системы
Уравнение радара не дает информации о минимальном и максимальном диапазоне дей-
ствия радиолокатора ЗГ РЛС, о размерах одновременно освещаемой зоны DIR, размере
отдельных элементов (ячеек) разрешения в DIR или географической точности, с кото-
рой система может идентифицировать обнаруженные цели. Для полного понимания
номинальных возможностей загоризонтных радиолокационных систем необходимы коли-
чественные показатели упомянутых аспектов их работы. В данном разделе перечислены
основные факторы, которые ограничивают диапазон зоны наблюдения и размеры зоны
следа DIR, а также разрешающую способность и точность ЗГ РЛС.
1.4.1. Минимальное и максимальное расстояния
Способность ионосферы отражать ВЧ-радиоволны обратно на Землю зависит от ряда фак-
торов, основными из которых являются частота сигнала и угол, при котором волна сиг-
нала падает на ионосферу. Эта зависимость дальности распространения при отражении
от одного слоя ионосферы один раз (то есть за один скачок или один пролет) проиллю-
стрирована на рис. 1.14. На самом деле процесс сигнала отражения от ионосферы имеет
много тонкостей, не представленных на рис. 1.14, на котором только предпринята попытка
проиллюстрировать основную мысль. Более подробное описание ВЧ-сигнала отражения
от ионосферы представлено в главе 2.
На рис. 1.14а показано три луча — три сигнала с одинаковой частотой, но выпущенные
под разными углами возвышения (углами места) к горизонту. Лучи, выпущенные на боль-
ших углах места, возвращаются на Землю на малом удалении от передатчика, так как точ-
ки отражения расположены в более глубоких слоях ионосферы, в которых относительная
электронная плотность выше. Лучи, которые падают в ионосферу с углами больше неко-
торого (в зависимости от частоты) критического угла, практически не преломляются в на-
правлении Земли, проходят сквозь ионосферу и покидают ее по искривленной траектории.
В простом примере, показанном на рис. 1.14а, предполагается частота сигнала f1 выше мак-
симальной частоты, которую может отразить ионосфера при вертикальном падении (т. е.
на критической частоте слоя).
При работе на частоте выше критической и при стабильном состоянии ионосферного
отражения существует конечное минимальное расстояние от передатчика, ближе которого
лучи не могут возвратиться на Землю. Это минимальное расстояние по земле соответствует
лучу с углом возвышения 2 на рис. 1.14а и известно как skip-ray — ≪ проскок луча≫ (выше
которого не наблюдается отражения от ионосферы на данной частоте). При нормальном
ионосферном распространении расстояние меньше этой минимальной горизонтальной
дальности называют границей отсутствия облучения. Площадь на поверхности Земли, ко-
торая охватывает район, окружающий местоположение передатчика до границ отсутствия
облучения по всем направлениям, известна под названием ≪ мертвая зона≫. ЗГ РЛС не мо-
жет вести обзор внутри «мертвой» зоны потому, что плотность мощности сигналов, об-
лучающих этот регион, слишком мала для эффективной работы. Следует отметить, что по-
тенциально для обзора участков «мертвой» зоны могут быть использованы поверхностные
волны.
Дальность до границы «мертвой» зоны фактически определяет минимальную горизон-
тальную дальность наблюдения ЗГ РЛС. Дальность отсутствия облучения зависит от ча-
стоты сигнала и состояния ионосферы. В принципе, для обеспечения облучения поближе
к РЛС дальность можно сократить за счет снижения частоты сигнала. Однако на практике
использование частот вблизи нижнего края ВЧ-диапазона нежелательно, так как небла-
гоприятное сочетание различных факторов может привести к снижению эффективности
ЗГ РЛС на низких рабочих частотах1. Плотность мощности сигнала, отраженного на Землю,
как правило, достигает максимума непосредственно сразу за «мертвой» зоной. Если ОСШ
рассматривается как наиболее важный показатель, то желательно для обзора ЗГ РЛС ис-
пользовать области, лежащие недалеко от границы «мертвой» зоны.
У большинства ионосферных ЗГ РЛС для обеспечения приемлемой чувствительно-
сти обнаружения и точности регистрации координат граница «мертвой» зоны находится
обычно на расстоянии примерно 1000 км. Эта граница представляет собой номинальное
значение минимальной горизонтальной дальности системы и может браться за начало об-
ратного отсчета при определении места установки ЗГ РЛС в качестве ближайшей точки
предполагаемой зоны обзора. Такое ограничение на выбор площадки может представлять
серьезные проблемы для небольших по размеру стран, если только представляющая ин-
терес зона наблюдения не выходит далеко за государственные границы. Поскольку номи-
нальное значение минимальной горизонтальной дальности относится к номинальному
значению частоты в нижней части диапазона, которая ограничивает режим работы ЗГ РЛС
с непрерывным генерированием сигналов, то ее значение непостоянно и при изменении
условий распространения может доходить до сотен километров. В этом состоит отличие
от обычных микроволновых РЛС, у которых минимальная дальность чаще всего постоян-
ная и определяется длительностью излучаемого импульса, в течение которого приемник
должен оставаться закрытым.
Как показано на рис. 1.14б, при неизменном угле места с увеличением частоты сигнала
поднимается и высота отражающего слоя в ионосфере (в котором плотность электронов
больше). При этом точка отражения находится на значительной горизонтальной дально-
сти. На рис. 1.14б показано также, что при постоянном угле возвышения существует макси-
мальная частота, выше которой луч не будет отражаться при наклонном падении и, пройдя
сквозь ионосферу, исчезает в пространстве. Таким образом, максимальная горизонталь-
ная дальность ионосферного распространения с одним скачком определяется излучением
сигналов (с достаточным усилением) под самым низким углом места выхода луча антенны
и действующей высотой отражения в ионосфере, от которой эти лучи отражаются при мак-
симальной частоте, выше которой происходит проникновение.
Например, луч сигнала с углом места 5 градусов (направленность передающей ан-
тенны по отношению к плоскости Земли) после однократного отражения от ионосферы
на действующей (виртуальной) высоте 300 км возвращается на Землю на расстоянии око-
ло 3000 км. На практике максимальная горизонтальная дальность ионосферного распро-
странения с однократным отражением для сезонно-суточного изменения состояния ио-
носферы может изменяться на 1000 км и более. При условии, что передающая и приемная
антенны имеют достаточное усиление на низких углах места в 5 градусов, максимальная
горизонтальная дальность ЗГ РЛС номинально составляет около 3000 км.
Типовая дальность облучения ионосферной ЗГ РЛС имеет диапазон, заключенный,
как правило, между 1000 и 3000 км. В принципе при благоприятных условиях распростра-
нения максимальная граница, как правило, может быть расширена почти до 4000 км при
условии, что антенны имеют высокий коэффициент усиления при очень низких углах ме-
ста. С другой стороны, тип ЗГ РЛС, который позволяет использовать относительно низкие
рабочие частоты КВ-диапазона, потенциально позволяет сократить минимальный предел
диапазона, скажем, до 500 км. Тем не менее попытки увеличить зону облучения ЗГ РЛС
одним скачком за пределы типовых значений минимальных и максимальных границ часто
происходят за счет снижения качественных показателей.
Типовая зона облучения ЗГ РЛС охватывает 1000–3000 км, что соответствует ионо-
сферному распространению с помощью одного отражения от ионосферы (скачка) вблизи
средней точки траектории. Поверхность Земли рассеивает значительную часть падающей
энергии вперед после первого скачка. Это направленное вперед отражение может быть от-
ражено от ионосферы вторично и вернуться на Землю после двух скачков на расстоянии
6000 км или более. Этот процесс может повторяться, создавая процесс распространения
с множеством скачков. Распространение с несколькими скачками и другие экзотические
ионосферные режимы, которые будут описаны позже, позволяют КВ-сигналам распро-
страняться на чрезвычайно большие расстояния, в том числе по всему миру. Тем не менее
с каждым скачком двусторонний тракт распространения вносит большие потери и сильно
ослабляет сигнал. Многократное прохождение через ионосферу (в частности «солнечный»
слой D) и промежуточные отражения от Земли также сильно рассеивают энергию сигнала.
По этим соображениям ионосферные ЗГ РЛС, как правило, дают удовлетворительные ха-
рактеристики при ионосферном распространении с одним скачком при горизонтальной
дальности приблизительно от 1000 до 3000 км.
1.4.2. Зона выдержки интервала зондирования
На рис. 1.15 показаны веерные траектории ионосферного распространения КВ-сигналов,
излучаемых с постоянной частотой, но с изменением угла места, и поэтому лучи входят
в ионосферу под разными углами и взаимодействуют со слоями с различной плотностью
электронов. Траектории распространения различных сигналов были рассчитаны с ис-
пользованием разработанного DSTO программного обеспечения под названием PHaRLAP
[Cevera, 2010]. Сразу после «мертвой» зоны плотность мощности сигнала (интенсивность
облучения) резко возрастает и, как правило, именно в этой части достигает своего макси-
мального значения благодаря явлению, известному как «зона фокусировки». За отметкой
дальности с максимальной интенсивностью облучения плотность энергии сигнала, падаю-
щего на Землю, по мере увеличения дальности, как правило, монотонно убывает.
При большой дальности (далеко от края «мертвой» зоны) интенсивность облучения
слабеет и в конечном итоге становится слишком слабой для эффективной работы ЗГ РЛС;
а внутри «мертвой» зоны плотность мощности сигнала при нормальном состоянии ионо-
сферы почти полностью исчезает. Таким образом, для определенных частот существует
полезный интервал дальности, в котором плотность мощности сигнала отражается от по-
верхности Земли в объеме, достаточном для эффективной работы ЗГ РЛС. Этот интервал
определяет глубину по дальности области обзора, одновременно покрываемой лучом в об-
ласти наблюдения ЗГ РЛС. Напомним, что область обзора, одновременно покрываемая
лучом, упоминалась также как область наблюдения или «след» передатчика в номенкла-
туре ЗГ РЛС. Среди других факторов диапазон глубины зависит от состояния ионосферы,
рабочей частоты и усиления диаграмм направленности приемной и передающей антенн
на заданном угле места. На практике глубина расстояния обычно колеблется между 500
и 1000 км, хотя временами ионосфера может обеспечивать гораздо более широкий диапа-
зон расстояний, особенно в дневное время и для зондирования целей с большой ЭПР.
С другой стороны, размер поперечного сечения области наблюдения определяется ши-
риной основного лепестка передающей антенны по азимуту и однозначно увеличивается
пропорционально расстоянию. Во многих существующих системах основной лепесток диа-
граммы направленности луча передатчика ЗГ РЛС намеренно расширен с тем, чтобы вести
поиск в более широкой области, но в то же время поддерживая усиление, достаточное для
обнаружения цели в шумах. Лучи диаграмм направленности передающих антенн ЗГ РЛС
имеют номинальную ширину около 10 градусов по азимуту в зависимости от размера апер-
туры данной антенны, рабочей частоты и направления излучения. В результате области на-
блюдения имеют в поперечном сечении размер примерно 200–500 км и глубину облучения
1000–3000 км. В итоге зона DIR ЗГ РЛС может приблизительно составлять 500–1000 км
по горизонтальной дальности и 200–500 км по ширине поперечного сечения. Размеры
DIR определяют размер зоны обзора, в которой цели могут быть одновременно облучены
и, возможно, обнаружены загоризонтной РЛС с использованием одной частоты.
Мгновенная зона обзора может быть перемещена по общей области наблюдения
ЗГ РЛС с помощью электронного управления лучом передатчика по азимуту. ЗГ РЛС, ис-
пользующие апертуру одной линейной антенны на передачу (и прием), обычно обеспечи-
вают 90 градусов охвата по азимуту и 45 градусов от биссектрисы зоны наблюдения. В то
же время несущая частота радиолокационного сигнала может быть увеличена или умень-
шена, чтобы сместить область наблюдения соответственно дальше или ближе в пределах
минимальной и максимальной дальности обнаружения системы. Основываясь на указан-
ных выше номинальных размерах DIR, для наблюдения во всей зоне в диапазоне (1000–
3000 км) используют 2–4 передатчика с шагом мгновенных зон обзора по глубине рас-
стояний на 500–1000 км1, при этом границы зон DIR расположены вплотную друг к другу
по расстоянию. Для контроля сектора в 90 градусов по азимуту может потребоваться десять
или более лучей, при этом все главные лепестки диаграмм направленности должны быть
расположены вплотную друг к другу. Таким образом, для радиолокационного облучения
заданной области наблюдения ЗГ РЛС может потребовать 40 или больше DIR.
Поскольку РЛС требуется определенное время для когерентного накопления по каж-
дой мгновенной области наблюдения и для эффективного сопровождения возможного
маневрирования целей, необходимо достаточно быстро повторно просматривать эти ре-
гионы, поэтому РЛС одновременно могут отсканировать только ограниченное количе-
ство различных участков общей зоны наблюдения. Как следствие, одна ЗГ РЛС вообще
не может одновременно вести наблюдение по всей зоне наблюдения без ухудшения чув-
ствительности системы. Поэтому ЗГ РЛС работают по графику, выполняя одну или не-
сколько задач в ограниченном числе зон обзора, расположенных в выбранных областях
общей области наблюдения. График просмотра приоритетных областей предусматривает
чередование РЛС во времени и в порядке облучения, используя, в свою очередь, политику
сканирования, которая определяется требованиями к скорости повторного посещения об-
ласти, приоритетом каждой задачи или ее назначением.
1.4.3. Разрешение и точность
Зоны обзора DIR ЗГ РЛС, в свою очередь, состоят из множества ячеек разрешения,
которые разбивают мгновенную зону обзора по дальности и азимуту. Разрешающая
(групповая) способность по дальности R определяется по половине времени задерж-
ки, умноженной на скорость света в свободном пространстве с, известной формулой
R = с/2B, где B — ширина полосы зондирующего сигнала радара. В диапазоне КВ поло-
са частот, которая может успешно использоваться для работы РЛС ЗГ, ограничивается
в первую очередь загрузкой данной полосы другими пользователями, а это ограничивает
доступ к свободным каналам с относительно малой шириной, обычно не намного боль-
шей, чем 5–10 кГц ночью и 20–30 кГц в течение дня. Второе (физическое) ограничение
связано с частотной дисперсией ионосферы, которая резко снижает когерентное (устой-
чивое) ионосферное распространение в полосе пропускания больше примерно 100 кГц.
На практике ЗГ РЛС чаще всего можно использовать узкую полосу пропускания, по-
рядка 5–50 кГц. Поэтому разрешающая способность по дальности в ЗГ РЛС может ко-
лебаться от 3 до 30 км. Это, как правило, в 1000 раз хуже, чем разрешение по дальности
в обычной микроволновой РЛС.
Разрешение по азимуту изменяется обратно пропорционально длине апертуры
приемной антенны D, измеренной в длинах волн . Для линейной протяженности антенны
ширина классического луча диаграммы направленности по половинной мощности (−3 дБ),
направленной в пределах 45 градусов по азимуту от биссектрисы зоны наблюдения, мо-
жет быть аппроксимирована при = /D радианах. Например, линейная апертура длиной
3 км в полосе частот КВ обеспечивает разрешение от 0,2 до 2,0 градусов. Так, при средней
частоте в КВ-диапазоне fc = 15 МГц (= 20 м) для ЗГ РЛС, облучающей центр зоны наблю-
дения (R = 2000 км), 3-километровая апертура дает угловое разрешение l = r, приблизи-
тельно равное 15 км, что эквивалентно разрешению по дальности R = с/2B, характерному
для ЗГ РЛС с шириной полосы частот B = 10 кГц.
Как показано на рис. 1.16, такая комбинация апертуры и ширины полосы частот обе-
спечивает размеры ячейки разрешения ЗГ РЛС, которые имеют размеры на поверхности
Земли примерно 15 км в длину и 15 км в поперечном сечении при назначенной выше ра-
бочей частоте и горизонтальной дальности. В этом случае площадь каждой ячейки разре-
шения равна 225 миллионов квадратных метров. Такая очень большая площадь обратного
рассеяния и является одним из основных источников, создающих очень высокое превы-
шение, порядка 40–80 дБ, мощности помех над мощностью полезного сигнала. Чаще всего
эти ячейки не квадратные, а удлиненные в том или другом измерении в зависимости от от-
носительных величин разрешения по дальности и поперечному сечению. На рис. 1.16 по-
казан пример области обзора, одновременно покрываемой лучом ЗГ РЛС глубиной 900 км
(60 сечений по дальности) и шириной 300 км (20 сечений по азимуту), что дает в общей
сложности 1200 ячеек пространственного разрешения.
После того как цель обнаружена в определенной ячейке с известным азимутом и даль-
ностью, для определения местоположения цели требуется преобразование радиолока-
ционных координат в координаты географического положения. Из-за неоднозначности
прохождения КВ-сигналами ионосферы это преобразование далеко от прямолинейного
пересчета одних координат в другие. В режиме реального времени информация о состоя-
нии тракта распространения сигналов предоставляется вспомогательными датчиками.
Эта информация совместно с данными регистрационных таблиц координат и сведениями
о радиолокационной дальности и угле прихода сигнала на позицию ЗГ РЛС используется
для вычисления координат цели по широте и долготе. Больше на тему совмещения коорди-
нат будет сказано в главе 4.
Что касается точности ЗГ РЛС, то термин «точность» определяет то, насколько близко
обнаруженная цель (или точка отражения) находится к ее истинной позиции в географи-
ческих координатах. Если эхо цели регистрируется относительно идентифицируемых от-
ражений от известной опорной точки — ориентира или репера (KRP — Known Reference
Point), который находится в непосредственной близости от цели, и сигналы от цели
и репера принимаются одновременно одним и тем же радаром, то точность может быть
в пределах 5 км. В отсутствие репера диапазон абсолютной погрешности может составлять
около 10–20 км при условии, что в режиме реального времени доступна информация о те-
кущем состоянии и характеристиках канала распространения. Угловая погрешность, как
правило, менее 0,5 градуса, но при неблагоприятных условиях, особенно из-за наличия
рефракции и волноводного эффекта, вызванных возмущениями в ионосфере, может пре-
высить 1 градус.
Способность ЗГ РЛС обеспечить раннее предупреждение в дальней зоне наблюде-
ния обеспечивается, очевидно, за счет снижения пространственного разрешения и точ-
ности определения местоположения цели по сравнению с обычными микроволновыми
радарами. Несмотря на то что загоризонтные РЛС неспособны обеспечить детальную
информацию о позиции цели, их точность, как правило, достаточна для своевремен-
ной подачи команд на радары прямой видимости контролируемой цели. Это придает
особое значение возможностям координированного использования дополнительных
типов датчиков в интегрированных системах наблюдения, что может привести к более
эффективным результатам (и к более эффективному использованию информационных
ресурсов), чем в системах, рассчитанных на одиночное использование одного типа дат-
чиков. Номинальные характеристики и возможности гипотетической загоризонтной
ионо сферной РЛС, которая представляет действующие в настоящее время системы,
приведены в табл. 1.3.
ЧАСТЬ I. Основные прнципы
ГЛАВА 2
ИОНОСФЕРНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
При конструировании и эксплуатации загоризонтных радиолокационных станций
(ЗГ РЛС) необходимо алгоритмически отображать изменчивость характеристик ионосфе-
ры как среды распространения декаметровых (высокочастотных) радиоволн. Именно поэ-
тому в данной главе приведены основные справочные сведения, относящиеся к: 1) процес-
сам образования ионосферы, ее структуре и протекающим в ней динамическим явлениям;
2) описанию принципов распространения вертикально и наклонно падающих на нее де-
каметровых радиоволн при условии размещения на земной поверхности как передающей,
так и приемной антенн.
Данная глава не ставит своей целью дать полное описание свойств среды и механизмов
распространения в ионосфере декаметровых радиоволн. Подробную информацию по этим
вопросам заинтересованный читатель может легко почерпнуть из ряда надежных источ-
ников. Материалы главы скорее предназначены для читателя, приступающего к конструи-
рованию или эксплуатации ЗГ РЛС. Учитывая вышесказанное, основное внимание будет
обращено к кругу вопросов, характеризующих прямое влияние свойств среды на тактико-
технические характеристики (ТТХ) ЗГ РЛС. Именно это является главной целью главы 2.
Детальное рассмотрение физических и химических процессов в ионосфере, а также ма-
тематические методы построения траекторий декаметровых радиоволн в неоднородной
среде выходят за рамки данного материала. Исчерпывающие данные по результатам со-
ответствующих теоретических и экспериментальных исследований можно найти в ряде
опубликованных работ, в частности академических монографиях [Davies, 1990], [Budden,
1985a], [Ratcliff e, 1972] и [McNamara, 1991], а также в отличных книгах [Schunk и Nagy,
2009] и [Kelly, 2009] (часть этих материалов опубликована на русском языке; кроме того,
см. [Яковлев и др., 2009]). При изучении предмета может использоваться предлагаемый
в вышеупомянутых публикациях богатый аналитический материал.
Глава состоит из четырех разделов. Первый раздел представляет собой краткий исто-
рический экскурс по ранним экспериментальным исследованиям распространения радио-
волн, которые привели к открытию ионосферы. Затем идет описание процессов форми-
рования ионосферы и особенностей ее многослойной структуры. Выделяются основные
характеристики ионосферы применительно к работе ЗГ РЛС. Второй раздел посвящен
описанию пространственно-временной структуры ионосферы, для получения информа-
ции о которой используются в основном радиотехнические средства вертикального и на-
клонного зондирования (ионозонды ВЗ и НЗ). Здесь, в частности, уделяется особое внима-
ние динамическим процессам, протекающим в ионосфере, и их влиянию применительно
к задаче конструирования и эксплуатации ЗГ РЛС. Рассматриваются данные вертикально-
го зондирования ионосферы, позволяющие диагностировать возникновение возмущений
и магнитных бурь, которые могут оказывать сильное влияние на рабочие характеристики
радиотехнических систем КВ-диапазона.
Третий раздел посвящен вопросам наклонного отражения радиоволн от ионосферы,
имеющим существенное значение для работы ЗГ РЛС. Для заданных геофизических усло-
вий (ГФУ), определяющих параметры регулярных слоев ионосферы, рассматриваются
такие характеристики процесса распространения радиоволн, как рабочая частота, углы
места излучения и приема, дальность от места расположения ЗГ РЛС до заданной точки
пересечения траектории волны, отраженной от ионосферы с земной поверхностью.
В последнем, четвертом разделе рассматриваются вопросы многомодового (многолу-
чевого) распространения КВ-радиоволн, включая магнитоионное расщепление радиовол-
ны на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Далее дается описание различных
механизмов замирания (фединга) радиосигналов КВ-диапазона. Существующие модели
процессов замирания КВ-радиоволн рассматриваются во второй части данной книги,
включая экспериментальное обоснование.
2.1. ИОНОСФЕРА
Ионосферой называют область атмосферы Земли на высотах 60–600 км, содержащую ио-
низированный газ (плазму) естественной природы с концентрацией зарядов, достаточной
для влияния на распространение радиоволн КВ-диапазона. Плазма возникает в результате
воздействия электромагнитного излучения Солнца и высокоэнергетических частиц сол-
нечного ветра на нейтральные частицы атмосферы Земли. То есть происходит ионизация
нейтральных атомов и молекул, что приводит к образованию электронов и ионов. Следует
отметить, что наличие ионосферы характерно не только для Земли, но и для других планет,
удерживающих атмосферу из нейтральных газов под действием планетарной гравитации.
Образующаяся в результате ионизации плазма может участвовать и в других процес-
сах, включая химические реакции, диффузию, волновые возмущения и т. д. Определение
характеристик этих процессов в широком пространственно-временном интервале требует
применения результатов, полученных в таких научных дисциплинах, как физика плазмы,
химическая кинетика, механика текучих сред. Предлагаемое в этом разделе описание ио-
носферы и ее главных характеристик, влияющих на распространение КВ-сигнала, подает-
ся в достаточно простой манере, исключающей наличие специальной подготовки у читате-
ля (или с учетом неискушенности читателя).
Известно, что на распространение КВ-радиоволн в ионосфере главным образом ока-
зывают влияние свободные электроны. Количественной мерой этого влияния служит так
называемая концентрация электронов. Реакция свободных электронов на высокочастот-
ные колебания электромагнитной волны значительно сильнее, чем реакция более тяжелых
ионов. Доказано, что в широком спектре частот, от крайне низких (ELF — Extremely Low
Frequency) до очень высоких (ОВЧ), характеристики распространения радиоволн зависят
от распределения концентрации свободных электронов по высоте. Временная и простран-
ственная зависимости концентрации свободных электронов в ионосфере характеризуются
значительными и резкими вариациями. Описанию свойств ионосферы как среды распро-
странения КВ-сигналов посвящен представленный ниже материал.
Как уже отмечалось, наибольший интерес с точки зрения ионосферных ЗГ РЛС пред-
ставляет область ионосферы, находящаяся в интервале высот 60–600 км от земной по-
верхности. В этой области наиболее ярко выражены процессы поглощения, преломления
и отражения лучей КВ-сигналов. Преломление лучей КВ-сигналов обычно происходит
на высотах более 100 км, а за поглощение энергии радиоволн отвечает в основном область
ионосферы, находящаяся на высотах 60–120 км. Перед тем как приступить к более подроб-
ному изучению вопросов образования ионосферы, ее структуры и морфологии, представ-
ляется уместным получить сведения об исследованиях, связанных с открытием феномена
ионосферы и ее роли в работе ЗГ РЛС.
2.1.1. Исторический экскурс
Возможно, первым видимым человеческим глазом проявлением существования ионосфе-
ры стало северное полярное сияние (северное сияние) в верхних слоях атмосферы. По-
нятие северного сияния возникло с подачи Галилео Галилея приблизительно в 1621 году
[Eather, 1980]. А первое инструментальное наблюдение полярного сияния в южном полу-
шарии было зарегистрировано Джеймсом Куком в 1773 г. Первый исторически подтверж-
денный факт — формулировка гипотезы о существовании электропроводящего слоя в зем-
ной атмосфере, впоследствии получившей название ионосферы, датируется 1839 годом.
Именно тогда математик и физик Карл Гаусс предположил, что каждодневное наблюдение
малых регулярных и нерегулярных изменений магнитного поля Земли может быть объ-
яснено наличием в атмосфере электрических токов. Подтолкнуло Гаусса к такому выводу
наблюдавшееся им «загадочное» явление — северное сияние. Однако физическая приро-
да захватывающих воображение произвольно меняющих форму разноцветных всполохов
в ночном небе была установлена только ближе к концу девятнадцатого века.
2.1.1.1. Ранние радиоэксперименты
В период с 1864 по 1873 гг. шотландский физик-теоретик и математик Джеймс Клерк Мак-
свелл развивал элегантную теорию объединенного электромагнитного поля, ставшую
классической. Эта знаменитая работа широко признана в качестве одного из самых вели-
ких научных достижений, сравнимого по своей значимости с работами Исаака Ньютона
и Альберта Эйнштейна. Существование электромагнитных полей, предсказанных с по-
мощью уравнений Максвелла, было экспериментально подтверждено в 1887 г. немецким
физиком Генрихом Герцем — первым создателем аппаратуры возбуждения и регистрации
радиоволн. Десятилетием позже Гульельмо Маркони, молодому итальянскому изобретате-
лю, удалось на основе разрозненных знаний и технических возможностей своей эпохи раз-
работать и продемонстрировать первую беспроводную систему радиосвязи, получившую
впоследствии название телеграфа. С помощью этой системы в 1899 г. удалось реализовать
передачу кодированных сообщений через пролив Ла-Манш.
В своем наиболее знаменитом эксперименте 12 декабря 1901 г. Маркони обеспечил
трансатлантическую передачу радиосигнала на расстояние приблизительно в 3500 км —
между местечком Полдху, Корнуолл, Англия и г. Сэйнт-Джон, Ньюфаундленд, Канада.
Маркони услышал в наушнике щелчки буквы S по азбуке Морзе, принимая сигнал с по-
мощью проволочной 120 м антенны, удерживаемой в соответствующем положении с по-
мощью змейкового аэростата. Из работ Максвелла и Герца было известно, что радиоволны
распространяются по прямой, связывающей излучатель и приемник. Они отклоняются
от прямой только при встрече со средами, имеющими различные диэлектрические свой-
ства в поперечном направлении. Возможность беспроводной связи на расстоянии 3500 км
оказалась принципиальным техническим открытием. Поэтому неудивительно, что данное
событие вызвало огромный научный интерес к загадке распространения радиоволн на та-
кое огромное трансатлантическое расстояние.
2.1.1.2. Предлагавшиеся физические интерпретации
Поначалу казалось естественным предположение, что распространение радиоволны на та-
кое большое расстояние объясняется ее дифракцией (огибанием земной поверхности).
В связи с этим внимание некоторых физиков и математиков оказалось обращенным к на-
хождению решения уравнений Максвелла для задачи дифракции волн на сферической по-
верхности с конечной проводимостью. Первые попытки объяснения полученных Маркони
результатов основывались на схеме так называемых поверхностных радиоволн. При этом
значительная часть излучаемой энергии «растекается» вдоль выпуклой земной поверх-
ности. Толщина «потока» (канала) определяется высотой области, простирающейся вниз
от источника непосредственно до границы раздела воздушной среды с морской поверх-
ностью. Одними из самых первых авторов теории распространения поверхностных волн
были Дж. Зеннек, А. Зоммерфельд. Однако, согласно расчетным данным, дифракцион-
ный эффект, которым мог бы быть обусловлен этот механизм распространения, оказался
не в состоянии объяснить наблюдаемую большую мощность принимаемого радиосигнала.
На самом деле феномен распространения поверхностной волны представляет большой
прикладной интерес в области радиолокации на загоризонтных дальностях, но существен-
но меньших, чем в эксперименте Маркони. К этому вопросу вернемся в главе 5.
В 1902 г. независимые исследования Оливера Хэвисайда в Великобритании и Артура
Кеннелли в США привели к тому, что существование в верхней части атмосферы проводя-
щего слоя стали считать бесспорным фактом [Ratcliff , 1967]. Это произошло на следующий
год после постановки знаменитого эксперимента Маркони по трансатлантической пере-
даче сигнала. Согласно Кеннелли и Хэвисайду получалось, что проводящий слой харак-
теризуется наличием свободных электронов, чем обусловлено отражение радиоволн и их
прием за горизонтом. В результате происходит загоризонтное распространение радиоволн
в пространстве под ионосферой, вдоль выпуклой земной поверхности. Их представления
были в дальнейшем развиты физиком Экклсом, связавшим зависимость концентрации
ионизированных частиц от высоты (см. [Мас Namara, 1991]) с изменением направления
распространения волны. Экклс предполагал, что радиоволны, наклонно падающие на ио-
носферу, попадая в области с положительным вертикальным градиентом ионизации, бу-
дут отклоняться, приближаясь к горизонтальному направлению, в итоге распространяясь
с огибанием земной поверхности. Однако в ту пору не существовало прямых эксперимен-
тальных данных, которые могли бы подтвердить предположение об увеличении концентра-
ции заряженных частиц с увеличением высоты. Не существовало экспериментальных дан-
ных о наличии проводящего слоя. Ситуация изменилась более чем через два десятилетия
после провозглашения Хэвисайдом и Кеннелли концепции проводящего слоя.
В 1902 г. Маркони тщательно задокументировал эксперимент по ежедневному приему
передаваемых станцией Полдху радиосигналов, находясь на борту судна S. S. Philadelphia,
удаляющегося от Великобритании в западном направлении. В дневное время Маркони
смог получать сообщения на дальностях порядка 1000 км и вплоть до 3000 км — в ночное.
Маркони первым отметил, что средние и длинные радиоволны могут распространяться
гораздо дальше именно в ночное время. Возможно, что самая первая физическая теория
проводящего слоя появилась непосредственно после опубликования результатов этих на-
блюдений (см. [Lodge, 1902]), а также была предложена в независимой работе [J. E. Taylor,
1903]. Было выдвинуто предположение, что образование проводящего слоя обусловлено
ионизацией пространства в результате воздействия на верхнюю часть атмосферы ультра-
фиолетового солнечного излучения. Эффективность распространения радиоволн в зави-
симости от солнечного излучения была подтверждена позже.
2.1.1.3. Радиосвязь и радиовещание
В ходе ранних экспериментов выяснилось, что дальность распространения тем выше, чем
больше длина волны. Поэтому сначала стремились к созданию систем, работающих на ча-
стотах ниже КВ-диапазона. При этом беспроводный телеграф использовался по бо льшей
части для связи корабль — берег в диапазоне средних волн. Эта технология сыграла драма-
тическую роль при попытках спасти «Титаник» в 1912 г.
Маркони вернулся к экспериментам на более высоких частотах в 1915 г. Его возоб-
новленный интерес к КВ-диапазону был главным образом обусловлен возможностью ис-
пользования направленных антенн меньшего размера, способных фокусировать энергию
в более узкие пучки лучей. Позднее Маркони обнаружил, что КВ-радиоволны могут обе-
спечить устойчивую связь на тысячекилометровых дальностях при гораздо меньшей мощ-
ности передатчиков, чем сотни киловатт, необходимые при использовании более длинных
волн. В ходе дальнейших экспериментов он обнаружил, что при правильном выборе рабо-
чей частоты существует возможность установления радиосвязи с любой точкой мира почти
в любое время дня и ночи.
Этими наблюдениями ознаменовался переход от высокомощных систем НЧ-связи,
слишком дорогих для организации в крупные сети, к маломощным КВ-станциям с узким
главным лепестком диаграммы направленности. Такая система была внедрена в Импер-
скую сеть беспроводной связи в середине 1920-х годов, соединяя между собой Великобри-
танию, Австралию, Южную Америку и Индию. Подобные системы нуждались в операторах
высокой квалификации, использующих знания об условиях распространения радиоволн.
Также обострился вопрос, как избежать приема сигнала от других радиостанций в связи
с ростом их числа и соответствующей перегрузкой линий беспроводной связи. Для обеспе-
чения удовлетворительной работоспособности системы потребовалось наладить синхро-
низацию работы всех станций сети по частоте и времени. В 1927 г. английская радиовеща-
тельная система («Би-би-си») начала работу на всех территориях империи в КВ-диапазоне.
Маркони как главный идеолог и организатор, на которого пришлась основная часть работ,
стал лауреатом Нобелевской премии в 1909 г. Это был факт признания его вклада в раз-
работку беспроводного телеграфа. Помимо разнообразного наследия, оставшегося после
Маркони, нужно отметить центр экспериментальной радиоэлектроники в Торре Чиаручия
возле Санта-Маринелла, Италия. В этом центре Маркони проводил эксперименты по ра-
диопеленгации своего судна Elettra.
2.1.1.4. Открытие ионосферы
Л. Ф. Фуллер и Ли де Форест из Американской федеральной телеграфной компании в пери-
од между 1912 и 1914 гг. провели ряд экспериментов по распространению радиоволн на рас-
стояние 500 км, разделяющее Лос-Анджелес и Сан-Франциско. Передающее устройство
излучало радиосигнал на фиксированной частоте. На приемном устройстве наблюдалось
биение сигналов разных частот, которое трактовалось как интерференция между радиолу-
чом, отраженным от проводящего слоя, и прямым лучом поверхностного распространения.
Эффективная высота отражающего слоя была рассчитана на основании характеристик ин-
терференции и составила 99 км. Это оказалось первой оценкой высоты проводящего слоя,
концепцию которого выдвинули Хэвисайд и Кеннелли.
Еще одно косвенное подтверждение существования отражающего слоя в верхней
части атмосферы было получено в 1924 г. Эпплтоном и Барнеттом в ходе экспериментов
со сменой частоты. Зондирование производилось с помощью передатчика незатухающих
сигналов, расположенного в Борнмуте. При этом медленное изменение несущей частоты
использовалось таким образом, что характеристики замираний, обусловленные интер-
ференцией между поверхностной и отраженной от гипотетического слоя волнами, могли
быть измерены на станции рядом с Кембриджем. Путем сравнения мощностей сигналов,
одновременно принятых рамочной и вертикальной антеннами, Эпплтон и Барнетт под-
твердили существование отраженной пространственной волны, которую теперь принято
называть ионосферной. Высота слоя в 100 км была вычислена с помощью выражения для
разности длин пробега радиоволн и известного значения разноса между передатчиком
и приемником; см. [Appleton и Barnett, 1925].
Выяснилось, что высота отражающего слоя резко меняется ближе к закату Солнца.
На основании этого наблюдения зимой 1925 г. Эпплтон сделал заключение о слоистой
природе ионосферы. Ему же и обязаны общепринятой теперь классификацией различных
ионосферных слоев: E, F и D. Выбор подобной системы обозначений сэр Эдвард Эпплтон
разъяснил в своем письме от 20 марта 1943 г., переопубликованном в [Silberstein, 1959].
Эпплтон обозначил первый слой буквой E, признавая особую роль электрического поля
пространственной отраженной волны. Соответственно второму отражающему слою, на-
ходящемуся на бо льшей высоте, он присвоил букву F.
В 1925 г. Брейт и Тув провели независимое экспериментальное исследование на основе
методики почти вертикального зондирования, в ходе которого подтвердилось существова-
ние множественных отраженных пространственных волн. В частности, Брейт и Тув пока-
зали, что при вертикальном излучении короткого импульса в расположенном на удалении
нескольких километров приемнике регистрировался приход двух, а иногда и бо льшего числа
эхо-сигналов. Первый эхо-сигнал был связан с прямым распространением поверхностной
волны, а последующие — за счет отражения радиолуча от ионосферных слоев. Этот метод
обеспечил возможность отличать волны, отраженные ионосферой, от волн прямого по-
верхностного распространения. Классификационными параметрами волн были задержки
по времени импульсных сигналов. Это были первые прямые измерения высоты ионосфер-
ных слоев, в отличие от косвенных, основанных на анализе явления интерференции.
Метод импульсного зондирования может считаться самой ранней формой примене-
ния радиолокации, получивший широкое распространение в качестве главного метода
исследования структуры и динамики ионосферы. Так как изначально предполагалось, что
отражающие слои состоят из электрически заряженных частиц — так называемых ионов,
то прижилось название ионосферы. Подробная история возникновения термина «ионо-
сфера» изложена в работе [Gillmor, 1998]. Термин «ионосфера» был впервые использован
Робертом Уотсоном-Уоттом, как оказалось в дальнейшем, первым разработчиком РЛС.
Это было в письме, адресованном в 1926 г. научно-исследовательской комиссии Велико-
британии. Первое официальное появление этого термина в литературе произошло несколь-
кими годами позднее, см. [Watson-Watt, 1929]. В 1927 г. Сидни Чепменом была разработана
физическая теория, описывающая структуру ионосферных слоев. К этому времени физика
ионосферы выделилась в отдельное научное направление. На ее развитие оказал большое
влияние Эпплтон (см. рис. 2.1б), получивший в 1947 г. Нобелевскую премию за вклад, сде-
ланный в развитие теории ионосферы [Clark, 1971].
2.1.1.5. Послевоенные годы
Несмотря на отсутствие полного понимания физики и химии ионосферы, к началу вто-
рой мировой войны многие свойства формирования, структуры и динамики ионосферы
уже были описаны [Green, 1946]. Война дала сильный толчок развитию технологий радио-
связи и радиолокации. Огромное расширение работ по зондированию ионосферы в эти
годы было продиктовано необходимостью прогнозирования условий распространения
радиоволн в разных частях мира. Это соответствовало научным задачам, которые были по-
ставлены перед первыми станциями ионосферного зондирования, которые заключались
в выявлении причин возникновения и характеристик различных ионосферных слоев. Со-
бираемые в военное время данные об ионосфере использовались почти исключительно
в практических целях, и только очень малое число исследований проводилось в целях вы-
яснения геофизической природы ионосферы.
Важный шаг в направлении накопления и систематизации глобальных ионосферных
данных был сделан в рамках программы геофизических исследований, действовавшей в пе-
риод с 1957 по 1958 гг. ( Так называемый МГГ — международный геофизический год, IGY —
International Geophysical Year, год, который длился восемнадцать месяцев.) Помимо дан-
ных, собираемых наземными станциями, для проведения инструментальных измерений
устанавливалась соответствующая аппаратура на ракетах и спутниках, позволявшая полу-
чать данные о плотности, составе, температуре, электрических/магнитных полях и прочих
характеристиках ионосферы. Возобновленный интерес научного сообщества к подобным
данным в послевоенные годы привел к выработке более глубокого понимания физических
и химических процессов, протекающих в ионосфере.
Использование ионосферы, помимо решения традиционных задач дальней двух-
сторонней коротковолновой связи и вещания, осуществлялось в системах двойного на-
значения (военного и гражданского). Речь идет о системах определения координат КВ-
передатчиков за счет разнесенного приема сигналов двумя или бо льшим числом приемных
станций. По сравнению с существовавшими КВ-системами связи системам пеленгации
требовалось бoльшее количество данных о состоянии ионосферы, получаемых в реаль-
ном масштабе времени (в процессе проведения измерений). С появлением в конце 1950-х
ЗГ РЛС, предназначенных для контроля состояния морской поверхности, требования
к скорости получения данных о состоянии ионосферы в реальном масштабе времени стали
ужесточаться.
2.1.2. Образование ионосферы и ее структура
Как сказано выше, образование ионосферы связано с ионизацией нейтральных молекул
и атомов в верхней части земной атмосферы под воздействие солнечного электромагнит-
ного излучения и заряженных частиц солнечного ветра. В результате такого воздействия
появляется электронно-ионный газ. Он представляет собой слабо ионизированную плазму,
максимальная концентрация заряженных частиц в которой обычно составляет менее 1 %.
Можно утверждать (с минимальной погрешностью), что ионосфера обладает свойством
квазинейтральности, поскольку появление и рекомбинация свободных электронов и по-
ложительных ионов происходят одновременно.
Способность ионосферы к отражению КВ-радиоволн обусловлена наличием сво-
бодных электронов. А их концентрация, в свою очередь, зависит от физико-химических
процессов, которыми, повторимся, обусловлены появление, исчезновение и перенос сво-
бодных электронов. Следовательно, успешная эксплуатация ЗГ РЛС ионосферной волны
в значительной мере зависит от знания характеристик вышеупомянутых процессов. Та-
ким образом, следует приступить к изучению основных схем образования, исчезновения,
структуры и переноса заряженных частиц ионосферы.
2.1.2.1. Процессы, отвечающие за образование ионосферы
Возникновение ионосферы связано с ионизацией нейтральных атомов и молекул и появле-
нием свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс передачи фото-
ном своей энергии hэлектрону, в результате которого происходит ионизация нейтрально-
го атома или молекулы P с образованием пары — свободного электрона e− и положительно
заряженного иона P+, называется фотоизонизацией. Процесс символически представлен
выражением (2.1), где h постоянная Планка, — частота фотона:
уравнение (2.1) см. в книге
В наиболее важных реакциях, протекающих на более низких высотах, участвуют молеку-
лярный азот N2, молекулярных кислород O2 и одновалентный оксид азота NO. А на бо льших
высотах главную роль играют атомарный кислород O и водород H. Следует отметить, что
ионизация молекулярных и атомных частиц разного химического состава может проис-
ходить при воздействии фотонов с определенной частотой. Выяснено, что длины волн
фотонов, излучаемых Солнцем и участвующих в реакциях фотоионизации, соответствуют
спектральным линиям и непрерывному излучению в коротковолновой ультрафиолетовой
(КУФ, EUV — Extreme Ultra-Violet, коротковолновое ультрафиолетовое излучение) и рент-
геновской областях электромагнитного спектра.
Скорость образования электронов, связанная с реакцией фотоионизации определен-
ного типа, пропорциональна как интенсивности ионизирующего излучения, так и плот-
ности ионизируемых химических частиц. Следовательно, скорость образования с учетом
всех реакций фотоионизации зависит не только от интенсивности солнечного излучения
во всем спектре длин волн, но и от концентрации нейтральных частиц в атмосфере, имею-
щих разный химический состав. Так как интенсивность ионизирующего излучения и кон-
центрация изменяются по высоте, скорость образования также зависит от высоты.
В исходном виде теория Чепмена описывает скорость ионизации в слоистой атмосфе-
ре отдельного компонента изотермического газа за счет поглощения параллельного пуч-
ка солнечного монохроматического излучения. Как было показано в работе [Matsushita
и Campbell, 1967], для получения формулы скорости ионизации многокомпонентной
атмосферы во всем спектре частот солнечного излучения вышеупомянутые упрощения
не используются. Однако это связано с усложнением уравнений, что затрудняет понима-
ние пути решения главной задачи, которая заключается в изучении основных принципов
теории Чепмена.
Используем гидростатическое уравнение для вертикального распределения давления
идеального газа под воздействием гравитации. При этом можно показать, что плотность
атмосферы (плотность нейтральных частиц) на высоте h от земной поверхности в формуле
(2.2) определяется через . Здесь 0 — плотность нейтрального газа на земной поверхности
(h = 0). Hp = KT/mg — давление по шкале высот, зависящее от массы частицы m, абсолют-
ной температуры T, постоянной Больцмана K и ускорения свободного падения g.
уравнение (2.2) см. в книге
Обозначим символом Iплотность потока падающего солнечного излучения (интенсив-
ность излучения). Эта величина выражается через количество фотонов на единичную пло-
щадь, входящих в атмосферу под углом к вертикальной оси — так называемым зенитным
углом. По мере прохождения лучей через атмосферу интенсивность излучения Iпадает
за счет поглощения и, соответственно, становится функций высоты I(h). Дифференциал
интенсивности излучения dI(h) по высоте определяется приводимой ниже формулой (2.3).
В ней — удельный коэффициент поглощения, называемый также вертикальным сечени-
ем атмосферы.
уравнение (2.3) см. в книге
Подстановка выражения (2.2) в уравнение (2.3) c последующим интегрированием по высо-
те h приводит к формуле (2.4) для вертикального профиля интенсивности излучения I(h).
В формуле (2.4) приняты обозначения: приведенная высота z = (h − h0)/Hp и эталонная вы-
сота
уравнение (2.4) см. в книге
Следует учесть, что скорость образования свободных электронов q на заданной высоте
пропорциональна скорости поглощения на этой высоте. Поэтому можно определить, что
q = cos dI(h)/dh, где — число электронно-ионных пар, выбиваемых одним фотоном.
Продифференцировав выражение (2.4), получаем, что скорость образования пар являет-
ся функцией q(z, x) в приводимом ниже выражении (2.5), где q0 = I/Hpe — константа,
уравнение (2.5) см. в книге
Это соотношение называется функцией или формулой Чепмена. Оно выражает скорость
ионизации q(z, ) как функцию приведенной высоты z, зенитного угла и константы q0.
Степень ионизации будет максимальной на такой высоте, которой соответствует наивыс-
шее значение произведения интенсивности излучения и плотности нейтрального газа.
Интенсивность излучения снижается с высотой из-за поглощения, а плотность нейтраль-
ного газа уменьшается на бо льших высотах из-за гравитации (барометрическая формула).
В результате двух противоборствующих эффектов максимум ионизации приходится на не-
которой промежуточной высоте. Можно убедиться, что характеристикой формирования
ионосферного слоя служит максимальная концентрация свободных электронов на данной
промежуточной высоте.
Продифференцировав уравнение (2.5), можно получить, что высота hm, на которой
происходит образование максимального количества электронов, определяется приво-
димой ниже формулой (2.6). Отметим, что эталонная (опорная) высота h0 соответствует
максимальной концентрации электронов, когда Солнце находится в зените (= 0). Мак-
симальное значение концентрации электронов на высоте hm в формуле (2.6) обозначено величиной qm. Отметим, что q0 представляет собой максимальную концентрацию электронов
при зенитном солнечном излучении.
уравнение (2.6) см. в книге
Изменение плотности потока солнечного излучения Iвлияет на максимальное значение
ионизации, но не на ее высоту. Изменение зенитного угла влияет как на максимальное зна-
чение ионизации, так и на ее высоту. Процесс фотоионизации происходит исключительно
в дневное время, когда Солнце освещает атмосферу. Однако фотоионизация — не един-
ственный процесс, отвечающий за возникновение свободных электронов. Иной механизм
образования свободных электронов реализуется при «бомбардировке» нейтральных частиц
в атмосфере потоком заряженных частиц от Солнца. Столкновения между энергичными
частицами, переносимыми через межпланетное пространство солнечным ветром, и ней-
тральными частицами земной атмосферы могут также привести к образованию свободных
электронов и положительно заряженных ионов. Такой процесс получил название ударной
ионизации.
Уважаемые читатели!
Представляемая вашему вниманию книга посвящена интереснейшей проблеме современ-
ной радиолокации — проектированию и разработке загоризонтных РЛС. Ее автор Джу-
зеппе А. Фабрицио является крупным и весьма авторитетным экспертом в области про-
ектирования таких радиолокаторов. Работая в Организации оборонной науки и техники
(DSTO — Defense Science and Technology Organization) Австралии, занимая должность ве-
дущего научного сотрудника отдела адаптивной обработки сигналов в подразделении, за-
нимающемся загоризонтной радиолокацией, Дж. А. Фабрицио посвящает много времени
исследованиям и разработкам новых методов и алгоритмов обработки информации. Сле-
дует отметить, что Австралия достаточно давно и небезуспешно занимается проблемати-
кой загоризонтной радиолокации, имеет определенные успехи в разработках ЗГ РЛС, хотя
«монополизм» России и США в этой отрасли будет сохраняться достаточно долго, по край-
ней мере ближайшие 20–30 лет.
Несмотря на то что книга написана несколько лет назад, выпуск ее русского перево-
да несколько задержался. Это связано с целым рядом обстоятельств. Во-первых, издатель-
ство не до конца было уверено в том, что перевод будет пользоваться спросом: проблемами практического применения загоризонтной радиолокации в России занимается небольшое число научно-производственных компаний. Однако неожиданный успех вышедшей в начале 2017 года монографии В. Ф. Акимова и Ю. К. Калинина «Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов» под редакцией С. Ф. Боева показал востребованность серьезных публикаций по этой проблематике и стимулировал ускорение работы по подготовке перевода.
Интересно отметить, что книга Дж. Фабрицио не может считаться какой-либо альтер-
нативой монографии российских авторов. Совместный анализ обоих изданий показыва-
ет, что они хорошо дополняют друг друга: в российской монографии упор сделан на рас-
смотрение физических основ и принципов проектирования загоризонтных РЛС, книга
Дж. Фабрицио посвящена в значительной степени вопросам обработки информации (сиг-
налы, первичная обработка, вторичная обработка и т. д.). Таким образом, это «двухкни-
жие» представляет собой великолепное справочное пособие по проектированию и разра-
ботке загоризонтных радиолокаторов, по сути дела, «настольную книгу» как для главного
конструктора, так и для всех ведущих разработчиков.
Знакомство с книгой Дж. Фабрицио, на наш взгляд, будет полезно и для начинающих
инженеров, и для зрелых специалистов. В частности, прочитав эту книгу, любой инженер,
интересующийся радиоинформационными технологиями, поймет, насколько интересна,
обширна и, видимо, неисчерпаема тематика загоризонтной радиолокации. Имеющий-
ся (в первую очередь в России и США) практический опыт создания загоризонтных РЛС
показал их перспективность для решения целого ряда специальных, научных и народно-
хозяйственных задач. Вместе с тем этот опыт показал, что многие научно-технические
проблемы, решенные разработчиками загоризонтных РЛС на инженерном уровне и, воз-
можно, неоптимальным образом, требуют научного «осмысления» и оптимизации. Прин-
ципиальная задача — обеспечение эффективной работы РЛС в условиях воздействия ре-
альной среды распространения радиоволн, похоже, является задачей для радиофизиков
«на все времена». Остается множество вопросов, касающихся антенной техники, повы-
шения информационно-энергетических характеристик, выбора наиболее эффективных
параметров зондирующих сигналов. Наконец, «вечная» проблема — проблема обработки
информации и максимизации объема информации, получаемой от загоризонтных РЛС.
Все это дает основания полагать, что книга Дж. Фабрицио — не последняя работа по про-
блематике загоризонтной радиолокации.
Хотелось бы отметить одну проблему, с которой пришлось столкнуться в ходе подготов-
ки перевода книги. Дело в том, что, видимо, вследствие недостаточной координации между
разработчиками разных стран сложившаяся терминология по этому научно-техническому
направлению в нашей стране и за рубежом не совпадает. В связи с этим хочется заранее
принести извинения за те возможные неточности, которые читатели, особенно те, которые
знакомы с рассматриваемой проблематикой, могут встретить на страницах переводного
издания. Уверены, что эти возможные неточности не приведут к искажению физической
сущности рассматриваемых вопросов и не запутают читателей.
В заключение хочется выразить большую благодарность целому ряду специалистов,
поработавшим над переводом и над его последующим редактированием: Ф. Ф. Евстратову,
В. А. Собчуку, В. Ф. Акимову, Ю. К. Калинину, Т. А. Колосовой, А. В. Морозу, и некоторым
другим специалистам АО «РТИ», НИИДАРа, РТИ им. А. Л. Минца. Уверены, что это из-
дание послужит не одному поколению российских ученых и инженеров, работающих в об-
ласти загоризонтной радиолокации и радиолокации в целом!
Доктор технических наук,
доктор экономических наук, профессор,
лауреат Государственной премии С. Ф. Боев.
Кандидат технических наук, доцент Д. Д. Ступин
Об авторе
Джузеппе Аурелиано Фабрицио в 1992 году получил с отличием степень бакалавра, а в 2000 — степень доктора наук факультета электротехники и электронной техники университета Аделаиды, Австралия. С 1993 года д-р Фабрицио работает в научно- исследовательском институте Министерства обороны Австралии
(DSTO — Defence Science and Technology Organization), в котором осуществляет научное руководство по средствам электронной борьбы (EW) и адаптивной обработке сигналов в отделении КВ- радиолокации. Д-р Фабрицио отвечает за разработку и практическую реализацию инновационных и надежных методов адаптивной
обработки сигналов, работает над повышением эксплуатационных характеристик современных радиолокационных загоризонтных систем. Он старший член Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineer) и автор более 50 научных публикаций в журналах и трудах конференций. Д-р Фабрицио был дважды (в 2003 и 2004 гг.) годах удостоен престижной премии М. Барри Карлтона (M. Barry Carlton) за лучшую статью года, опубликованную в журнале IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам (AES). В 2007 году он стал лауреатом почетной премии DSTO в знак признания его вклада в адаптивную обработку сигналов загоризонтной радиолокационной сети JORN
(Jindalee Operational Radar Network). В том же году он получил грант научного оборонно-
го общества DSTO на проведение совместных исследований в университете La Sapienza
в Риме, Италия. Д-р Фабрицио вел учебные семинары по загоризонтной радиолокации
на конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году, и на Междуна-
родной конференции IEEE по радиолокации 2010 года в Вашингтоне. Он представитель
Австралии в Международной секции радиолокационных систем IEEE, а в настоящее вре-
мя занимает пост вице-президента по образованию в Совете управляющих Общества аэро-
космических и электронных систем AESS (Aerospace and Electronic Systems Society). Д-р
Фабрицио сотрудничает с международными оборонными ведомствами в рамках Мемо-
рандума о взаимопонимании и является национальным представителем в исследователь-
ской группе НАТО по вопросам динамического разделения сигналов (DWD — Dynamic
Waveform Diversity) (SET-179). Он также официально сотрудничает с промышленностью,
в том числе с Raytheon, Lockheed Martin и BAE Systems, а также с многочисленными на-
учными институтами как в Австралии, так и за рубежом. В 2011 году за вклад в развитие
загоризонтной радиолокации и обработки радиолокационных сигналов д-р Фабрицио
был удостоен премии IEEE в области радиолокации в честь Фреда Натансона. Он подго-
товил первое издание High Frequency Over-the-Horizon Radar: Fundamental Principles, Signal
Processing, and Practical Applications («Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение»), которое дополняет существующую литературу по радиолокации и может стать основой для дальнейших исследований в данной области.
С любовью посвящаю памяти моего отца и моей семье
Предисловие
В отличие от множества монографий, посвященных радиолокации в микроволновом диа-
пазоне, до сих пор только одна работа была посвящена исключительно теме коротковол-
новой загоризонтной радиолокации. Это книга «Основы загоризонтной радиолокации»,
изданная под редакцией А. А. Колосова, изначально опубликованная на русском языке
(«Радио и связь», 1984), а затем переведенная на английский язык Бартоном (W. F. Barton,
Artech House, Norwood, MA, 1987). До сих пор эта монография содержит множество цен-
ной информации, но ее содержание не обновлялось со времени первого издания и поэтому
не охватывает тот огромный прогресс, который достигнут в области загоризонтной радио-
локации в течение двух последних десятилетий.
В главе, посвященной загоризонтной радиолокации, в авторитетном издании «Спра-
вочника по радиолокации»1 под редакцией М. Сколника и в соавторстве с Дж. Хедриком
и С. Андерсоном (3-е издание, McGraw-Hill, 2008) дан превосходный обзор основных
понятий, но ограниченный объем главы неминуемо снизил глубину трактовки, что, воз-
можно, наиболее заметно в области обработки сигналов, которая играет ключевую роль
в повышении качественных показателей современных загоризонтных радиолокационных
систем. Учитывая сильный всплеск интереса к системам загоризонтного радионаблюдения
в международном радиолокационном сообществе, включая оборонную, коммерческую
и научную сферы, вполне уместно и своевременно изложить информацию о значительных
успехах в загоризонтной радиолокации, которые произошли за последние 20 лет, чему полностью посвящено настоящее издание.
Основная цель данной книги состоит в том, чтобы представить новейшие достижения
в области загоризонтных радиолокационных систем (ЗГ РЛС). При этом основное внима-
ние уделено подробному описанию методов и моделей обработки сигналов, которые в зна-
чительной степени способствовали внедрению самых современных технологий в ЗГ РЛС,
но недостаточно подробно изложены в существующей литературе. Настоящее издание на-
правлено на преодоление этого разрыва. Книга отличается цельностью изложения и вклю-
чает описание основных принципов проектирования и эксплуатации ЗГ РЛС на более до-
ступном уровне для читателей, не имеющих предварительных знаний в данной области.
При этом сделана попытка объединить большое количество ранее разобщенных публика-
ций по теме ЗГ РЛС и адаптивной обработки сигналов на единой платформе, используя
обширный список цитирования с тем, чтобы показать связи между многочисленными тео-
ретическими и экспериментальными работами, опубликованными в этих областях.
Отличительная особенность данной книги заключается в удачном включении экспе-
риментальных результатов, полученных при практической эксплуатации ЗГ РЛС, исполь-
зующих ионосферное распространение и поверхностные волны, для иллюстрации прак-
тических применений методов обработки данных. Ожидается, что этот аспект книги будет
представлять интерес для научных сотрудников и инженеров, желающих получить более
детальное представление о данной технологии, а также для инженеров-практиков и иссле-
дователей, заинтересованных в разработке надежных алгоритмов обработки сигналов для
реальных систем. Хотелось бы надеяться, что эта книга также вызовет энтузиазм у молодых
ученых и инженеров при изучении проблем ЗГ РЛС и радиолокации в целом.
Благодарности
Возможность написать эту книгу и представить ее международному радарному сообще-
ству — большая честь для автора, ведь это была совместная работа с исключительно та-
лантливой командой ученых, инженеров и профессионалов в Научно-исследовательском
институте Министерства обороны Австралии (DSTO). Особую признательность за под-
держку данного проекта автор хотел бы выразить руководителю службы технической раз-
ведки и наблюдения ISRD (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division) д-ру Тони
Линдсею (Dr. Tony Lindsay). Также хочется искренне поблагодарить научного руководителя
направления ЗГ РЛС д-ра Гордона Фрейзера (Dr. Gordon Frazer) и руководителя группы
обработки и распространения сигналов д-ра МайкаТарли (Dr. Mike Turley) за их многолет-
нюю поддержку этой работы и ее автора.
С особой теплотой хотелось бы поблагодарить бывшего руководителя ISRD д-ра Мал-
колма Голли (Dr. Malcolm Golley) за доверие, оказанное автору, когда он, будучи моло-
дым инженером, решил получить докторскую степень в области адаптивной обработки
в ЗГ РЛС. Поддержка этих исследований д-ром Голли и его вдохновляющее руководство
способствовали профессиональному росту автора. Также нельзя не отметить проф. Дага
Грея (Prof. Doug Gray), проф. Юрия Абрамовича (Prof. Yuri Abramovich) и проф. Стюарта
Андерсона (Prof. Stuart Anderson), которые были наставниками автора все эти годы. Так,
в основе большинства исследований, описанных во II части книги, лежат направления,
впервые предложенные проф. Абрамовичем.
Работа над этой книгой велась при активной поддержке со стороны коллеги и друга
автора — проф. Алонсо Фарина (Prof. Alfonso Farina). Продолжительное и успешное тех-
ническое сотрудничество с проф. Фарина стало большой удачей для автора. Автор также
благодарен проф. Фарина за проведение совместных исследований по программе оборон-
ной науки в Италии и организацию первого учебного семинара по загоризонтной радио-
локации в рамках конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году.
Это стало исключительно благоприятной возможностью для формирования основной
структуры книги. И, что самое важное, автор глубоко признателен проф. Фарина как свое-
му учителю в профессии за его мудрое наставничество.
В написании книги очень помогло использование материалов, предоставленных мно-
жеством бывших и настоящих сотрудников ISRD. Автор благодарен нескольким коллегам
по DSTO за экспертную проверку отдельных разделов; в частности, ценные рекомендации
были получены от д-ра Тони Линдсея, д-ра Майка Тарли, д-ра Тревора Харриса (Dr. Trevor
Harris), д-ра Мануэля Сервера (Dr. Manuel Cervera), Марка Тайлера (Mr. Mark Tyler), д-ра
Девида Холдсворта (Dr. David Holdsworth), д-ра Джастина Прашифка (Dr. Justin Praschifka)
и д-ра Линдона Дарбриджа (Dr. Lyndon Durbridge). Особо хочется отметить помощь Ника
Спенсера (Mr. Nick Spencer) в правке корректуры некоторых разделов. Также автор при-
знателен Бретту Норсею (Mr. Brett Northey), Девиду Незервею (Dr. David Netherway) и д-ру
Эндрю Хейтману (Dr. Andrew Heitmann) за предоставление некоторых данных об окружаю-
щей среде. С особой теплотой хотелось бы поблагодарить Керри Бернс (Ms. Kerry Barnes)
и Ли Хейс (Ms. Lee Hayes) за их ценную помощь в наборе текста и проверке некоторых
ссылок.
Автор благодарен всем глубокоуважаемым внешним рецензентам за конструктивные
комментарии. В частности, отзывы по отдельным главам и техническим направлениям лю-
безно предоставили д-р Райан Риддолз (Dr. Ryan Riddolls) из научно-исследовательского
подразделения Министерства обороны Канады (Defence Research and Development,
Canada), проф. Ларри Марпл (Prof. Larry Marple, Georgia Tech Research Institute), д-р Де-
вид Эмери (Dr. David Emery, BAE Systems), д-р Джеффри Сан Антонио (Dr. Geoff rey San
Antonio, Naval Research Laboratory), д-р Фред Ирл (Dr. Fred Earl, National Systems), д-р Бен
Джонсон (Dr. Ben Johnson, Lockheed Martin), д-р Джим Барнум (Dr. Jim Barnum, SRI
International), д-р Дональд Беррик (Dr. Donald Barrick, Codar Ocean Sensors) и д-р Л. Дж.
Никич (Dr. L. J. Nickisch, Northwest Research Associates).
Как автору, так и его книге много дало общение с коллегами из широких научных кру-
гов, работающими в сфере радиолокации и обработки сигналов. В частности, автор вы-
соко ценит дружбу и сотрудничество с проф. Алексом Гершманом (Prof. Alex Gershman),
проф. Фульвио Гини (Prof. Fulvio Gini) и проф. Луи Шарфом (Prof. Louis Scharf), благодаря
которым были разработаны методы обработки сигналов в РЛС, описанные в данной кни-
ге. Также хочу поблагодарить проф. Хью Гриффитса (Prof. Hugh Griffiths), д-ра Брахема
Хаймда (Dr. Braham Himed), проф. Германа Ролинга (Prof. Hermann Rohling), д-ра Билла
Мелвина (Dr. Bill Melvin), проф. Дона Синнота (Prof. Don Sinnott) и проф. Криса Бейкера
(Prof. Chris Baker) за обмен ценными знаниями и опытом на международных конференци-
ях и постоянную поддержку.
Автор искренне благодарен ответственному редактору издательства McGraw-Hill
Professional Венди Ринальди (Ms. Wendy Rinaldi) и всей редакционной команде за отличную
организацию работы над книгой. И, наконец, автор с любовью благодарит свою жену Лу-
крецию за ее стойкость, поддержку и терпение, особенно после переезда в Австралию с но-
ворожденным сыном Леонардо. Без ее помощи и ободрения текст книги никогда не был бы
готов в сроки, установленные планом подготовки к публикации.
Аббревиатуры
ABORT Adaptive Beamformer Orthogonal Rejection Test, многоранговый вариант кри-
терия ортогонального подавления помех в адаптивном формирователе диа-
граммы направленности
ACS Auto-Correlation Sequence, автокорреляционная последовательность (АКП)
ACF Auto-Correlation Function, автокорреляционная функция (АКФ)
ACE Adaptive Coherence Estimator, адаптивное устройство оценки когерентности
ADC Analog-to-Digital Converter, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
AEW Airborne Early-Warning, бортовые радары дальнего радиолокационного обна-
ружения
AF Ambiguity Function, функция неопределенности (ФН)
AGC Automatic Gain Control, автоматическая регулировка усиления (АРУ)
AGW Acoustic Gravity Waves, акустико-гравитационные волны (АГВ)
AIS Automated Identifi cation System, система автоматизированной идентифика-
ции (САИ)
AMF Adaptive Matched Filter, адаптивный согласованный фильтр
APES Amplitude and Phase Estimation, оценка амплитуды и фазы
APEX Aperture Extrapolation, экстраполяции апертуры
AR Auto-Regressive, авторегрессионные модели (АР)
ARD Azimuth-Range-Doppler, азимут — дальность — доплеровский сдвиг
ARMA Auto-Regressive Moving-Average, авторегрессионная модель скользящего
среднего (АРСС)
ARO ARithmetically Oriented, арифметические операции
ART Analytical Ray-Tracing, метод аналитической трассировки
ASD Adaptive Subspace Detector, адаптивный детектор подпространства
ATC Air traffic Control, управление воздушным трафиком
BANDEX Bandwidth Extrapolation, экстраполяции полосы частот
BMD Ballistic Missile Defence, противоракетная оборона (ПРО)
BPL Broadband over Power Lines, широкополосный доступ к сети Интернет по ли-
ниям электропередачи
BRD Beam-Range-Doppler, луч дальности и доплеровских частот
BSI Blind System Identifi cation, «слепые» методы идентификации системы
BSS Blind Signal Separation, «слепое» разделения сигнала
BSS Backscatter Sounder, устройство приема обратно рассеянных сигналов
BTL Basic Transmission Loss, потери мощности (излучения) / основные потери
распространения
СА Сell-Averaging, усреднение по элементам разрешения
CCIR International Radio Consultative Committee, Международный консультатив-
ный комитет по радиосвязи (МККР)
CD Coherently Distributed, когерентно распределенный (КР)
CFAR Constant False-Alarm Rate, постоянный уровень ложных тревог
CH Chain Home, РЛС Англии 1938 г., считается первым военным радаром
CIT Coherent Integration Time, время когерентного накопления
CMD Cross Modulation Distortion, интермодуляционное искажение
CME Coronal Mass Ejections, корональные выбросы массы (КВМ)
CNR Clutter-to-Noise Ratio, отношение мешающего, паразитного отражения
к помехе
CODAR Coastal Ocean Dynamics Application Radar, зондирование прибрежных океан-
ских вод
COFDM Сoded Orthogonal Frequency Division Multiplex, кодированные сигналы с орто-
гональным частотным разделением каналов
CPI Coherent Processing Interval, интервал когерентной обработки (ИКО)
CR Coordinate Registration, регистрация координат (РК)
CSF Сhannel Scattering Function, функция рассеяния канала (ФРК)
CSSIP Centre for Sensor Signal and Information Processing, центр обработки информа-
ции и сигналов
CTB Сonventional Тapered Вeamformer, формирователь диаграммы направлен-
ности
CUT Cell Under Test, тестируемый элемент разрешения
CW Continuous Wave, непрерывный сигнал
DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, Агентство передовых оборонных
исследовательских проектов
DATEX Data Extrapolation, экстраполяция данных
DAB Digital Audio Broadcasts, цифровая аудиотрансляция
DDCs Digital Down Converters, цифровые понижающие преобразователи (ЦПП)
DDRx Direct Digital Receiver, приемник прямой цифровой обработки (ППЦО)
DFT Discrete Fourier Transform, дискретное преобразование Фурье (ДПФ)
DIR Dwell Illumination Region, область обзора, одновременно покрываемая лучом
DND Department of National Defence, Министерство обороны Канады
DOA Direction of Arrival, направление прихода сигнала
DOF Degrees of Freedom, степени свободы
DOSE Direction-of-Arrival by Signal Elimination, алгоритм определения направления
прихода сигнала
DSTO Defence Science and Technology Organization, Научно-исследовательский ин-
ститут Министерства обороны Австралии
DVB-T Digital Video Broadcasts Terrestrial, цифровая наземная видеотрансляция
DWD Dynamic Waveform Diversity, динамическое разделение сигналов
DWI Direct-Wave Interference, помехи прямой волны
ECA Extensive Cancelation Algorithm, алгоритм обширного гашения луча
EEZ Exclusive Economic Zone, эксклюзивная экономическая зона
EKF Extended Kalman Filter, расширенный фильтр Калмана
ELF Extremely Low Frequency, широкий спектр частот
EM Electromagnetic, электромагнитное окружение
EMI Electromagnetic Interference, электромагнитные помехи
EMC Electromagnetic Compatibility, электромагнитная совместимость (ЭМС)
ESB Earth Surface Backscatter, обратное рассеяние от земной поверхности
EUV Extreme Ultra-Violet, коротковолновое ультрафиолетовое излучение (КУФ)
EW Electronic Warfare, радиоэлектронная борьба (РЭБ)
FA Fitting Accuracy, точность приближения
FDTD Finite-Diff erence Time-Domain, конечно-разностный временной метод
FFT Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье (БПФ)
FIR Finite Impulse Response, конечная импульсная характеристика (КИХ)
FIR-MIMO Finite Impulse Response Multiple-Input Multiple-Output, конечная импульсная
характеристика с несколькими входами и выходами
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave, сигналы с линейной частотной моду-
ляцией (ЛЧМ-сигнал)
FMS Frequency Management System, система управления частотой
GAM Generalized Array Manifolds, обобщенные многообразия массива
GEMS Generalized Estimation of Multi path Signals, алгоритм обобщенной оценки
многолучевых сигналов
GEP Generalized Eigenvalue Problem, поиск собственных значений
GFB Go Fast Boats, обнаружение и сопровождение маломерных быстроходных су-
дов
GIP General IzedInner Product, обобщенное скалярное произведение
GLRT Generalized Likelihood-Ratio Test, обобщенное отношение правдоподобия
GNN Global Nearest Neighbor, глобальный поиск ближайшего соседа
GMHT Generalized Multi-Hypothesis Tests, обобщенные критерии одновременной
проверки нескольких гипотез
GOCA Greatest-Of-Cell-Averaging, усреднение по элементам и определение наиболь-
шего значения
GRT Gross Registered Tonnage, брутто-регистрированное водоизмещение
GSD Generalized Subspace Detectors, обобщенные детекторы подпространства
GWM Generalized Watterson Model, обобщенная модель Уоттерсона
HF High-Frequency, кВ (коротковолновый) VHF/ОКВ
HFSW High-Frequency Surface-Wave, ЗГ РЛС-ВЧ ПЭВ (загоризонтная станция по-
верхностной электромагнитной волны)
HOS Higher Order Statistics, статистика более высокого порядка
HPA High-Power Amplifi er, усилители мощности
HPF High-Pass Filter, фильтр высоких частот (ФВЧ)
I-MIMO Instantaneous Multiple-Input Multiple-Output, мгновенная система с несколь-
кими входами и несколькими выходами (мгновенный метод пространствен-
ного кодирования сигнала)
I/Q In-phase and Quadrature, синфазный и квадратурный
ID Incoherently Distributed, некогерентно распределенный (НКР)
IDC Ionospheric Distortion Correction, коррекция ионосферных искажений
IGY International Geophysical Year, международный геофизический год (МГГ)
IID Independent and Identically Distributed, независимые и одинаково распреде-
ленные
IIR Infi nite-Impulse-Response, бесконечная импульсная характеристика (БИХ)
IMD Intermodulation Distortion, интермодуляционное искажение
IMM Interactive Multiple Model, интерактивная многорежимная модель
IMS Integrated Maritime Surveillance, обзор морского пространства
INE Impulsive Noise Excision, устранение импульсных шумов
INR Interference to Noise Ratios, отношение помехи к шуму (ОПШ)
IQML Quadratic Maximum Likelihood, итерационный метод квадратичного макси-
мального правдоподобия
IRI International Reference Ionosphere, международная стандартная модель ионо-
сферы (IRI-модель)
ISRD Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division, Служба технической
разведки и наблюдения
ITU International Telecommunications Union, Международный союз электросвязи
(МСЭ)
JFAS Jindalee Facility Alice Springs, загоризонтная радарная система (установка
Jindalee в Элис-Спрингс)
JDS Joint-Data Set, совместное множество данных
JORN Jindalee Operational Radar Network, действующая сеть радаров Jindalee
JPDA Joint Probabilistic Data Association, совместное сопоставление вероятностных
данных
KRPs Known Reference Points, известные опорные точки, ориентир или репер
LF Low Frequency / VLF, Very Low Frequency, низкая частота / очень низкая ча-
стота, НЧ/ОНЧ
LFMCW Linear Frequency-Modulated Continuous Waveform , непрерывный линейный
частотно-модулированный сигнал (ЛЧМ-сигнал)
LCMV Linearly Constrained Minimum Variance, критерий оптимизации с линейно
ограниченной минимальной дисперсией
LMS Least-Mean-Square, алгоритм наименьших квадратов
LNA Low-Noise Amplifi er, малошумящий усилитель (МШУ)
LO Local Oscillator, гетеродин
LOS Line-Of-Sight, прямая видимость
LPF Low-Pass Filter, фильтр нижних частот (ФНЧ)
LPDA Log Periodic Dipole Arrays, логопериодические дипольные антенные решетки
(ЛПДА)
LRT Likelihood-Ratio Test, критерий отношения правдоподобия
LSMI Loaded Sample-Matrix Inverse, инверсии диагонально нагруженной матрицы
выборок
LT LocalTime, местное время (МВ)
MBC Main-Beam Cancelation, подавление главного лепестка
MF Medium Frequency, средние частоты сигналов
MF Matched-field, согласованный фильтр
MFA Model-Fitting Accuracy, относительная точность приближения
MHT Multiple-Hypothesis Tracker, многоканальное сопровождение вероятных це-
лей
MIMO Multiple-Input Multiple-Output, система со множеством входов и множеством
выходов
ML Maximum Likelihood, максимальное правдоподобие (МП)
MLE Maximum-Likelihood Estimate, оценка максимального правдоподобия
MMSE Minimum Mean Square Error, среднеквадратическая ошибка
MM-UPDAF Multiple Model Unifi ed Probabilistic Data Association Filter, объединение мно-
гоуровневой модели с вероятностным фильтром данных
MODE Method of Direction Estimation, метод оценки направления
MOM Method-of-Moments, метод моментов
MQP Multi-segment Quasi-Parabolic, многосегментная квазипараболическая мо-
дель
MSC Magnitude Squared Coherence, квадрат амплитуды (функции) когерентности
MTI Moving Target Indicator, индикатор движущейся цели (доплеровский индика-
тор)
MUF Maximum Useable Frequency, максимально применимая частота (МПЧ)
MUSIC MUltiple SIgnal Classification, алгоритм разрешения группового сигнала
MVDR Minimum Variance Distortionless Response, неискаженный отклик с мини-
мальной дисперсией
NCM Number of Complex Multiplications, число комплексных умножений
NEC Numerical Electromagnetic Code, числовой электромагнитный код
NMF Normalized Matched Filter, нормализованный согласованный фильтр
NHD Non-Homogeneity Detection, обнаружение неоднородности
NRT Numerical Ray-Tracing, метод лучевой трассировки
NVI Near Vertical Incidence, область вблизи вертикального угла падения
OI Oblique Incidence, наклонное зондирование (НЗ)
OIS Oblique Incidence Sounder, зонд наклонного зондирования
OS Ordered Statistics, порядковая (ранговая) статистика
PBR Passive Bistatic Radar, пассивные бистатические РЛС
PCA Polar Cap Absorption, поглощение полярной шапки (ППШ)
PCD Partially Correlated Distributed, частично коррелированный распределенный
(ЧКР)
PCL Passive Coherent Location, пассивная когерентная локация
PDAF Probabilistic Data Association Filter, вероятностное объединениие выходных
данных фильтра
PDF Probability Density Function, функция плотности вероятности
PEC Perfect Electric Conductor, идеально проводящий проводник
PFA Probability ofFalse Alarm, вероятность ложной тревоги
PMHT Probabilistic Multiple Hypothesis Tracker, слежение с использованием много-
кратных вероятностных гипотез
PRF Pulse-Repetition Frequency, частота повторения импульсов (ЧПИ)
PRI Pulse Repetition Interval, период повторения импульсов (ППИ)
PSF Point Spread Function, функция рассеяния точки
PST Power-Selected Training, мощность (эффективность) метода с обучающей вы-
боркой
PW Pulse-Waveform, импульсный
QCS Quasi-Cubic Segment, модель с квазикубической сегментацией
QP Multi-Segment Quasi-Parabolic, многосегментный квазипараболический
QUMP Quasi Uni-Modal Propagation, время квазиунимодального распространения
RAAF Royal Australian Air Force, Королевские ВВС Австралии
RAF Royal Air Force, Королевские воздушные силы
RAP Range-only AdaptiveProcessing, адаптивная обработка по дальности
RD-SAP Range-Dependent Spatial Adaptive Processing, алгоритм, зависящий от дально-
сти пространственной адаптивной обработки
RCS Radar cross section, отражающая площадь цели (ЭПР)
RCD Radar Calibration Device, устройство калибровки радиолокационной стан-
ции
RCSL Raytheon Canada System Limited, канадское подразделение компании
Raytheon
RF Radio Frequency, радиочастота
RFI Radio Frequency Interference, радиопомехи
RIB Rigid Infl atable Boats, надувные резиновые лодки с жестким набором кор-
пуса
RMS Root-Mean-Square, среднеквадратичное значение (отклонение) (СКО)
RMP Recognized Maritime Picture, оперативная картина надводной обстановки
ROC Receiver Operating Characteristic, рабочая характеристика приемника или
ROC-кривая
RRD Receiver-Range-Doppler, дальность — доплеровская частота
RRT Receiver-Range-Time, приемник — дальность — время
RTIM Real-Time Ionospheric Model, ионосферная модель реального времени
(ИМРВ)
SAP Spatial-only Adaptive Processing, пространственно-адаптивная обработка
SIMO Narrowband Single-Input Multiple-Output, один вход и множество выходов
SC Stochastic Constraints, метод стохастического ограничения
SCR Signal-to-Clutter Ratio, отношение сигнал/помеха (ОСП)
SCV Sub-Clutter Visibility, видимость на фоне помех
SDC Spread-Doppler Clutter, мешающее отражение с расширенным доплеровским
спектром
SDR Signal-to-Disturbance Ratio, отношение сигнал/помеха
SDS Single-Data Set, единичное множество данных
SFDR Spurious-Free Dynamic Range, динамический диапазон без паразитных со-
ставляющих (ДДбПС)
SFN Single-Frequency Networks, мультистатические одночастотные сети
SID Sudden Ionospheric Disturbance, внезапные ионосферные возмущения (ВИВ)
SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio, сигнал / помеха-плюс-шум (ОСШП)
SIRP Spherically Invariant Random Process, сферически инвариантный случайный
процесс
SLL Sidelobe Level, уровень боковых лепестков
SMI Sample Matrix Inverse, обратная (инверсионная) матрица выборки
SMI Sample Matrix Inverse, выборочная обратная матрица
SCM Sample Covariance Matrix, выборочная ковариантная матрица
SNR Signal-to-Noise Ratio, отношение сигнал/шум (ОСШ)
SOI Signal of Interest, нужный сигнал (полезный сигнал)
SOCA Smallest-Of-Cell-Averaging, усреднение по элементам и определение наи-
меньшего значения
SOS Second-Order Statistics, статистика второго порядка
SRI Standford Research Institute, Стэнфордский исследовательский институт
SSN Sunspot Number, число солнечных пятен (число Вольфа)
SSL Single-Site Location, локализация расположения одиночных источников
STAP Space-Time Adaptive Processing, пространственно-временная обработка сиг-
налов
Super DARN Super Dual Auroral Radar Network, международная сеть РЛС по исследованию
авроральных областей
SVD Singular Value Decomposition, сингулярные числа матрицы
SWF Shortwave Fadeout, коротковолновое затухание
SWNR Signal-to-White Noise Ratio, отношение сигнала к белому шуму
TBP Time-Bandwidth Product, длительность импульса на ширину полосы
TEC Total Electron Content, измерение общего содержания электронов
TEP Transequatorial Propagation, трансэкваториальное распространение (ТЭР)
TDS Two-Data Set, двойное множество данных
TDOA Time-Diff erence of Arrival, разность времени прихода
TID Traveling Ionospheric Disturbance, перемещающееся ионосферное возмуще-
ние (ПИВ)
TkBD Track-Before-Detect, схема отслеживания до детектирования
TMF Tapered Matched Filter, сходящийся согласованный фильтр
TSJ Terrain-Scattered Jamming, отраженные от рельефа местности сигналы джам-
минга, или «горячие помехи»
TDOA Time-Diff erence of Arrival, разность времени прихода
TV-SAP Time-Varying Spatial Adaptive Processing, изменяющаяся во времени про-
странственная адаптивная обработка
TWERP Twin-Whip Endfi re Receive Pair, двухштыревая продольно-направленная ан-
тенна (ДШПНА)
UKF Unscented Kalman Filter, «неследящий» фильтр Калмана
ULA Uniform Linear Array, линейная антенная решетка (ЛАР)
UMP Uniformly Most Powerful Test, равномерный наиболее мощный критерий
UMPI Uniformly Most Powerful Invariant, равномерно мощный инвариантный кри-
терий
UNCLOS United Nations Convention on the Law of the Sea, конвенция ООН по морскому
праву
UT Universal Time, всемирное время
VI Vertical Incidence, вертикальное зондирование (ВЗ)
VIS Vertical Incidence Sounder, ионозонд ВЗ
VRT Virtual Ray-Tracing, трассировка виртуальных лучей (ТВЛ)
VSWR Voltage Standing Wave Ratio, коэффициент стоячей волны по напряжению
(КСВН)
WARF Wide Aperture Research Facility, широкоапертурная научно-исследова тельская
установка
WFA WaveFront Analysis, метод анализа волнового фронта
WFG Waveform Generator, генератор сигналов ( ГС)
WFT Wavefront Testing Procedures, тестирование волнового фронта
WRF Waveform Repetition Frequency, частота повторения сигналов (ЧПС)
WRI Waveform repetition interval, интервал повторения сигнала
WCF Weighted Subspace Fitting, взвешенный подпространственный подбор
WSS Wide-sense Stationary, стационарный процесс в широком смысле
ГФУ Геофизические условия
ДН Диаграмма направленности
ДЧХ Дистанционно-частотная характеристика
ЗС Зондирующий сигнал
КС Кругосветный сигнал
КУ Коэффициент усиления
МП Максимальное правдоподобие
ОРЧ Оптимальная рабочая частота
ТТХ Тактико-технические характеристики
ФХ Фазовая характеристика
ЧХ Частотная характеристика
ГЛАВА1
Введение
Загоризонтные ионосферные РЛС1 (OTH — Over-The-Horizon radar, загоризонтная РЛС
или радар) работают в диапазоне высоких частот (ВЧ2, HF — High-Frequency) 3–30 МГц
и используют для обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей отражен-
ные от ионосферы сигналы, что позволяет, по сравнению с обычными радарами прямой
видимости, на порядок увеличить расстояния до целей. Более половины века международ-
ных исследований и разработок в этой области привели к созданию зрелого поколения за-
горизонтных радиолокационных систем, обеспечивающих экономически эффективное
раннее обнаружение целей в широкой области. В частности, способность ионосферной
ЗГ РЛС (OTH-радара) устойчиво контролировать удаленные географические регионы,
в которых не представляется возможным или удобным использование микроволновых
РЛС, представляет собой важное преимущество таких систем.
Высокие качественные показатели действующих самых современных загоризонтных
радарных систем достигнуты в высшей степени благодаря теоретическим и эксперимен-
тальным исследованиям в области моделирования распространения волн в ионосфе-
ре, усовершенствованной аппаратной части системы, «умным» управляющим ресурсам
и цифровой обработке сигналов. Знания, полученные и обобщенные в рамках совместных
программ международного сотрудничества, сыграли ключевую роль в успешном разверты-
вании загоризонтных радиолокационных систем по всему миру.
Загоризонтные РЛС впервые появились между 1950 и 1970 годами и почти во всех отно-
шениях претерпели значительные изменения, но особенно примечателен прогресс послед-
них четырех десятилетий, достигнутый главным образом из-за поразительных достижений
в ключевых технологиях, которые позволили существенно повысить общие возможности
радиолокационных загоризонтных радарных систем. Например, наличие высококлассных
цифровых приемников в сочетании со стремительным повышением быстродействия ком-
пьютеров позволило использовать современные методы адаптивной обработки сигналов
для повышения чувствительности загоризонтных РЛС в сложных условиях атмосферных
помех. Кроме того, в результате применения современных принципов и методов улучше-
ны показатели, повышающие эксплуатационные характеристики загоризонтных радаров,
особенно в качестве средства наблюдения в военных приложениях.
Основная причина давнего интереса к методам загоризонтой радиолокации заключа-
ется в том, что характеристики таких систем не только уникальны, но и дополняют многие
другие средства наблюдения, работающие в настоящее время на морских, воздушных и космических платформах. Преимущества ЗГ РЛС в отношении альтернативных систем видео-наблюдения общепризнанны, а это важно и для обороны, и в гражданских применениях, особенно с точки зрения тех преимуществ, которые обеспечивают загоризонтные РЛС в качестве элементов интегрированных многоуровневых систем датчиков наблюдения.
В настоящей главе для предварительного знакомства приведены самые общие, эле-
ментарные принципы загоризонтных РЛС — OTH-радаров. Основная цель данной главы
заключается в создании «скелета» монографии, который объединил бы наиболее важные
черты ЗГ РЛС и служил бы введением к более подробному изложению в последующих
главах. А именно первый раздел настоящей главы начинается с краткого описания предпо-
сылок и условий, которые более чем полвека тому назад привели к созданию загоризонт-
ных РЛС. В данном разделе рассматриваются два разных типа ЗГ РЛС. Первый — ЗГ РЛС
на ионосферных волнах, и второй — на земных радиоволнах1. Хотя термин «загоризонтная
РЛС» (ЗГ РЛС) или OTH-радар на протяжении большей части этой книги относится к ио-
носферным системам, реализации РЛС на земной волне, которые используют распростра-
нения на пространственных и поверхностных волнах, также рассматриваются в отдельной
(независимой) главе.
Во втором разделе данной главы дается общее представление о работе загоризонтных
РЛС и об основных проблемах, создаваемых окружающей средой работе РЛС. Кроме того,
в разделе рассматриваются общие характеристики загоризонтных радиолокационных си-
стем и ряд их практических применений (не ограничивающихся наблюдением), которые
иллюстрируют различные применения загоризонтных радиолокационных систем в воен-
ных и гражданских целях.
В третьем разделе этой главы обсуждаются номинальные возможности и ограничения
ЗГ РЛС и их отличия от типичных микроволновых радаров, которые были выбраны для
сравнения в качестве образца. В частности, чтобы подчеркнуть различия, а часто и до-
полняющие свойства этих двух видов радиолокационных систем, используется основное
уравнение радиолокации. Такой подход развивается далее не только потому, что подавляю-
щее большинство радаров работают на сверхвысоких частотах, но и потому, что понятие
«радар» служит синонимом этой полосы частот и представляет собой наиболее широко
известный класс систем. Кроме того, это сделано для того, чтобы пояснить, что и загори-
зонтные, и обычные обзорные радиолокаторы, несмотря на их существенное разнообразие
в архитектуре, эксплуатационных характеристиках и номинальных возможностях, имеют
много общих функций. Четвертый, последний раздел данной главы подводит итоги обзора
номинальных характеристик, которые можно встретить в технических описаниях загори-
зонтных радиолокационных систем, такие как характерное покрытие, разрешающая спо-
собность и точность.
Основную часть книги после введения можно разделить на три части. Основные темы,
рассматриваемые в каждой части, подытожены по главам так, чтобы кратко дать общее
представление о структуре книги. По существу I часть на базовом уровне представляет ши-
рокий спектр принципов и методов построения загоризонтных радаров. II часть на осно-
ве анализа экспериментальных данных действующих радиолокационных загоризонтных
систем в основном посвящена моделированию КВ-сигналов, а уже III часть посвящена
применению современных методов обработки реальных данных или данных, полученных
при моделировании радиолокационных систем. Хотя эта организация изложения выгля-
дит вполне естественно в том смысле, что более поздние части изложения основываются
на разделах, изложенных ранее, но отдельные главы относительно независимы и могут рас-
сматриваться в порядке предпочтения. В конце основной части монографии следуют при-
ложения и библиография.
• Часть I: основные принципы (2–5 главы). Эта часть расширяет общие представления,
изложенные в данной главе с тем, чтобы обеспечить более широкий охват основ-
ных принципов и методов радиолокации, реализованных в загоризонтных РЛС
для заинтересованных читателей, специалистов, недостаточно знакомых или во-
обще незнакомых с этой областью. Кроме этого, на элементарном уровне подроб-
но анализируется широкий круг вопросов. Во второй главе представлены базовые
понятия ионосферы и описаны ее свойства с точки зрения среды распространения
КВ-радиоволн. Практические вопросы разработки загоризонтных радиолокаци-
онных систем и ключевые характеристики основных подсистем рассматриваются
в главе 3. В 4 главе обсуждаются различные типы сигналов, принимаемые радио-
локационными системами в ВЧ-радиодиапазоне, электромагнитной среде, и пояс-
няются общепринятые этапы обработки сигналов и данных, которые используются
1 РЛС на земных радиоволнах называют также РЛС на поверхностных волнах.
для обнаружения цели, локализации и сопровождения. Пятая глава посвящена ис-
ключительно теме РЛС на поверхностных КВ-волнах и рассматривает ряд вопро-
сов, имеющих прямое отношение к конкретной реализации радаров такого типа.
В изложение всех глав помещены краткие сведения об истории развития за-
горизонтных радиолокационных систем в разных странах, по всему миру начиная
с ранних работ по распространению радиоволн через ионосферу до реализации со-
временных ионосферных загоризонтных РЛС и радиолокационных систем на по-
верхностных волнах. Это далеко не полное повествование проливает свет на неко-
торые стороны развития загоризонтных РЛС и позволяет сравнивать между собой
различные системы с точки зрения современных программ их реализации, что
придает дополнительную убедительность при изложении технических вопросов.
• Часть II: описание сигналов. Главы 6–9 посвящены описанию и математическому
моделированию узкополосных коротковолновых сигналов в пространственно-
временных координатах, которые принимаются ЗГ РЛС после ионосферного рас-
пространения. Шестая глава, в частности, исследует возможность детерминирован-
ного описания реальных КВ-сигналов, которые принимаются типичными ЗГ РЛС,
на интервалах когерентной обработки порядка нескольких секунд. Для более дли-
тельных интервалов времени, порядка нескольких минут, в главе 7 исследуется воз-
можность представления КВ-каналов стационарными случайными процессами
с пространственно-временными статистиками второго порядка. Такой подход за-
кладывает основание для представления различных типов сигналов, включая ме-
шающие отражения, интерференцию и отраженные от цели эхо-сигналы. В главе 8
представлены различные процедуры оценки параметров модели при обработке ре-
альных данных в реальном масштабе времени. В 9 главе представлено эксперимен-
тальное обоснование метода оценивания многомерных моделей сигналов и методов
оценки параметров при прогнозировании параметров адаптивного формирования
диаграммы направленности в конкретной практике подавления помех.
Поскольку понимание свойств КВ-сигналов играет решающую роль в разра-
ботке эффективных методов обработки сигналов ЗГ РЛС, эта часть книги заклады-
вает основу для теоретических выкладок и практических приложений современных
методов обработки, представленных в третьей части. Несмотря на то что физиче-
ские идеи сравнительно часто используются при моделировании сигналов, следу-
ет особо подчеркнуть, что основное предназначение таких моделей заключается
в демонстрации свойств цифровых выборочных данных сигналов, принимаемых
ЗГ РЛС, с точки зрения их пригодности для последующей обработки сигналов.
• Часть III: методы обработки. В главах 10–13 при создании помехоустойчивых ал-
горитмов адаптивной обработки сигналов, пригодных для использования ЗГ РЛС,
используются модели сигналов, разработанные во II части. В частности, в 10 главе
рассматривается использование адаптивного алгоритма формирования диаграммы
направленности и сглаживания помех на интервале когерентной обработки в усло-
виях изменяющейся во времени пространственной структуры помех. В этой главе
описываются также различные факторы, которые могут потенциально ограничить
адаптивное формирование параметров диаграммы направленности в реальных
системах и некоторые часто используемые на практике подходы, которые способ-
ствуют улучшению показателей формирования диаграммы направленности. В гла-
ве 11 обосновывается использование в загоризонтных радарах методов адаптивной
пространственно-временной обработки сигналов (STAP — Space-Time Adaptive
Processing) и описываются алгоритмы снижения негативного влияния многолу-
чевой интерференции, возникающей при распространении радиоволн в ионо-
сфере. В главе 12 ставится задача обнаружения целей с использованием процедуры
испытаний двух гипотез непосредственно по принимаемым данным и выводятся
адаптивные алгоритмы, основанные на методе испытаний с использованием (или
на базе) обобщенного отношения правдоподобия ( GLRT — Generalized Likelihood1.1.
Ratio Test). Описываются различные схемы обнаружения, основанные на заданном
постоянном уровне ложных тревог (CFAR — Constant False-Alarm Rate) для раз-
ных моделей измерений, которые учитывают неопределенность полезного сигна-
ла и статистическую неоднородность возмущений (мешающих отражений и/или
помехи-плюс-шумы).
В заключительной главе обсуждается гораздо менее исхоженная область иссле-
дований, поскольку радиолокационное поле традиционно вызывает постоянный
интерес. В частности, глава 13 посвящена проблеме разделения сигналов источника
и многолучевого распространения методами слепой обработки сигналов (обычно
применяемыми в области связи) без данных о сигнале. Исследуется также пригод-
ность таких методов для пассивной когерентной локации (PCL — Passive Coherent
Location), а также в других приложениях загоризонтных радиолокационных КВ-
систем. Ключевой момент 13 главы и других глав этой части книги заключается
в демонстрации тех преимуществ в показателях, которые могут быть получены при
использовании адаптивных методов радиолокации вместо традиционной обработ-
ки за счет сравнения результатов, полученных на основе реальных и смоделирован-
ных данных.
1.1. Предпосылки и мотивация
Система РЛС дальнего обнаружения — Chain Home (CH), установленная на восточном по-
бережье Великобритании примерно в 1938 году, широко известна и рассматривается как
пример первой радиолокационной системы военного назначения, убедительно продемон-
стрировавшей свои возможности в ПВО во время войны. Радары СН работали в диапазоне
20–30 МГц, поскольку доступные высокочастотные технологии того времени только в этом
диапазоне обеспечивали создание мощности, достаточной для реализации предлагаемого
метода радиолокации. В отличие от современных ионосферных загоризонтных РЛС, си-
стема CH была разработана для обнаружения целей в зоне прямой видимости радара, а не
за горизонтом. На самом деле отражения от ионосферы, возвратившиеся с очень больших
расстояний, рассматривались операторами РЛС CH как «помехи». Отсылаем к изданию
[Neal, 1985] читателя, интересующегося более полным описанием действующей в то вре-
мя радиолокационной системы CH, которая оказала решающее влияние на исход битвы
за Британию. Позднее, во время Второй мировой войны, радары, использующие частоты
УКВ- и СВЧ-диапазона, успешно использовались для радионаблюдения в условиях пря-
мой видимости.
1.1.1. РЛС прямой видимости
Выбор диапазона частот оказывает решающее влияние на физические характеристики
и номинальные возможности радиолокационных систем. Рабочие полосы частот РЛС
простираются от ВЧ- до СВЧ-диапазонов. Классификация радиодиапазонов прово-
дится в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ,
ITU — International Telecommunications Union) в буквенных обозначениях, приведенных
в табл. 1.1. Подавляющее большинство обзорных радиолокационных систем во всем мире
работают в УВЧ или еще более высоких частотах, так как технические характеристики
и стоимостные показатели на этих частотах представляются наиболее конкурентоспособ-
ными в радио локационных системах прямой видимости.
Например, бортовые радары дальнего радиолокационного обнаружения (AEW —
Airborne Early-Warning) работают в полосе ультравысоких частот (УВЧ) или полосе L.
Многофункциональные РЛС, используемые для наблюдения и управления огнем орудий
на морских платформах, обычно работают в полосах S и C, в то время как X-группа и еще
более высокие частоты могут быть использованы для противоракетной обороны и ближнего
наведения ракет. Вообще использование более высоких частот обеспечивает более высокое
разрешение и точность, при этом при меньших габаритах аппаратуры. С другой стороны,
РЛС, работающие на более низких частотах, обеспечивают компромисс с упомянутыми до-
стоинствами за счет преимущества в дальности обнаружения и меньшей чувствительности
к помехам, создаваемым погодными условиями и влиянием эффекта затенения.
Резонно спросить, почему в конечном итоге обычные обзорные радиолокационные
системы, предназначенные для работы в пределах прямой видимости, были преимуще-
ственно реализованы в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а не в диапазоне КВ,
несмотря на то что подходящие технологии уже стали доступны. На рис. 1.1 иллюстриру-
ются некоторые из несомненных доводов в пользу работы на более высоких частотах при
следующих основных технических достоинствах: (1) системы предназначены для работы
в малой ширине полосы частот, в которой есть большее количество полос пропускания,
обеспечивающих точное разрешение целей, (2) возможность создания узких (с высоким
коэффициентом усиления) диаграмм направленности лучей с использованием антенн
с относительно небольшими апертурами позволяет легче удовлетворять условиям разме-
щения их на ограниченной площадке, (3) эффективная отражающая поверхность от цели,
которая лежит в оптической области, в отличие от случая резонансного рассеяния Рэлея,
(4) существенно более низкий уровень шума окружающей среды, который, как правило,
ниже минимального порогового уровня собственного (теплового) шума приемника, (5) от-
носительно стабильные и предсказуемые для более точной локализации и сопровождения
цели радиотракты (радиоканалы) распространения (линия прямой видимости) по сравне-
нию с ионосферными трактами, (6) наличие в определенных практических приложениях
возможностей снижения в рабочих диапазонах уровня мешающих отражений от поверхно-
стей с использованием механизма верхнего обзора. Всесторонний обзор радиолокацион-
ных систем наблюдения прямой видимости (наземного и воздушного базирования) можно
найти во многих превосходных книгах, и в том числе среди многих других авторитетных
авторов: [Сколник, 2015] и [Nathanson, Reilly, Cohen, 1999].
1.1.2. Ограничения по зоне обнаружения
Несмотря на целый ряд достоинств, приведенных на рис. 1.1, принципиальный недоста-
ток обычных радиолокационных систем, работающих в диапазоне сверхвысоких частот,
состоит в том, что зона обнаружения номинально ограничена расстояниями прямой види-
мости ( LOS — Line-Of-Sight) между радаром и целью. На практике кривизна Земли огра-
ничивает дальность зоны обнаружения микроволнового радара по поверхности Земли,
которая часто не превышает дальности геометрического горизонта. В некоторых случаях
покрытие может быть ограничено более короткими расстояниями, когда топографические
особенности, например горы, затеняют цели радиолокационного обзора. Характеристики
некоторых РЛС микроволнового диапазона подвержены также влиянию метеорологиче-
ских явлений, таких как, например, град или дождь, которые могут ухудшать видимость
целей из-за мешающих отражений и увеличения затухания сигнала.
Указанные концептуальные ограничения обычных радаров прямой видимости про-
иллюстрированы на рис. 1.2. А именно верхняя часть рисунка иллюстрирует затенение
и затухание сигналов, которые могут возникать на относительно коротких расстояниях.
С другой стороны, средняя и нижняя части рисунка показывают затемнение тракта прямой
видимости РЛС судов на поверхности моря и воздушных целей, обусловленное кривизной
Земли. Рассмотрены варианты установки антенн на наземных и бортовых радиолокацион-
ных платформах.
При нормальных атмосферных условиях из-за рефракции в тропосфере сигналы ми-
кроволновых радаров, как правило, немного отклоняются в сторону Земли. Этот механизм
практически расширяет радиогоризонт за пределы геометрического горизонта. Для назем-
ного радара, работающего на сверхвысоких частотах, увеличенное расстояние радиогори-
зонта, обусловленное такой тропосферной рефракцией, часто рассчитывается с учетом ги-
потетического эффективного радиуса Земли, который составляет примерно четыре трети
его истинного значения1. Номинальное значение радиогоризонта может быть рассчитано
с учетом поправочного коэффициента на радиус Земли при вычислении геометрического
горизонта по простым правилам тригонометрии.
При необычных или аномальных атмосферных условиях сверхрефракция сигналов ми-
кроволнового диапазона может время от времени расширять зону обнаружения обычного
радара значительно выше номинального значения радиогоризонта. Это позволит обнару-
живать надводные цели и низколетящие самолеты на расстояниях, значительно бо льших,
чем при нормальных (а в глобальном масштабе при усредненных) атмосферных условиях.
Однако это явление распространения волн, известное также как «волноводный эффект»,
слабо предсказуемо, никаким образом не контролируется и поэтому на практике не может
браться в расчет для расширения зоны обнаружения обычной микроволновой РЛС свыше
ее номинального значения. На практике другой тип аномального распространения волн
может уменьшить зону эффективного обнаружения относительно ее номинального зна-
чения, ожидаемого при нормальных атмосферных условиях. Это явление, известное как
субрефракция (пониженная или отрицательная рефракция), проявляется в отклонении
сигнала от поверхности Земли.
Как следует из средней части рис. 1.2, номинальное значение радиуса зоны обнаруже-
ния обычной РЛС прямой видимости ограничивается кривизной (выпуклостью) Земли.
Количественно дальность обнаружения может быть оценена по расстоянию по поверхно-
сти Земли — dm. Предполагается, что антенна на платформе РЛС поднята на высоту hr над
гладкой сферической поверхностью Земли с эффективным радиусом re, который учитывает
рефракцию при нормальных атмосферных условиях. Расстояние вдоль поверхности Земли
от точки вертикально под радаром до геометрического горизонта определяется как длина
дуги по формуле d = re arccos{re/(re + hr)}. Для целей на высоте ht линия прямой видимости
доходит до точки на максимальном расстоянии по поверхности Земли dm, определяемой
по формуле (1.1). В этом первом диапазоне трассы по дуге большого круга радар и цель
соединены между собой прямой линией, которая проходит по касательной к поверхности
Земли. Любое дальнейшее увеличение расстояния приводит к потерям в обнаружении из-
за кривизны Земли.
см. уравнение в книге (1.1)
Как показано в средней части рис. 1.2, известное ограничение систем прямой видимости
заключается в том, что эффективное обнаружение маловысотной цели обычным микро-
волновым радаром возможно на небольшой дальности от радара. Так как высоты hr и ht
(за некоторыми исключениями) намного меньше, чем re, расстояние по длине дуги рас-
считывается с помощью теоремы Пифагора в виде ( см. в тексте книги). Посколь-
ку re max(hr,ht), то это выражение можно, в свою очередь, аппроксимировать известной
формулой максимальной дальности обнаружения радаром прямой видимости (см. уравне-
ние (1.2)). Эта формула подходит для большинства практических расчетов дальности об-
зорных радиолокаторов, за исключением только радио локационных систем космического
базирования.
см. уравнение в книге (1.2)
На рис. 1.3а представлены графики максимальной горизонтальной дальности dm РЛС пря-
мой видимости наземного или морского базирования, вычисленные в зависимости от вы-
соты антенны и положения целей на малых высотах. Кривая, обозначенная как «геоме-
трический горизонт», вычислена для радиуса Земли идеальной формы, принятого равным
r = 6380 км, а кривая с надписью «радиогоризонт» вычислена в предположении эффектив-
ного радиуса Земли, равного re = kr, где k = 4/3. Остальные две кривые вычислены для целей
на высотах 20 и 80 м над поверхностью Земли. Для высот антенн радара ниже hr = 50 м рас-
стояние для целей на поверхности (ht = 0) по земле — более dm = 30 км, выходит за границы
зоны обнаружения обычного радара прямой видимости. Поэтому микроволновые радары
наземного или корабельного базирования имеют низкую эффективность обнаружения це-
лей на поверхности и самолетов на малой высоте, использующих кривизну Земли в каче-
стве «щита», избегая тем самым «освещения» радиолокационным сигналом.
На рис. 1.3б представлены графики максимальных горизонтальных дальностей, рас-
считанные для высотных РЛС (воздушный борт), контролирующих по линиям прямой
видимости цели на поверхности и на высоте 2 и 8 км. Авиационная платформа поднима-
ет высоту антенн РЛС до нескольких километров и потенциально может расширить зону
возможного обзора до нескольких сотен километров. Датчики обзора космического бази-
рования на высотах в сотни километров в принципе могут увеличить зону обнаружения
до тысяч километров. Однако согласно уравнению (1.2) дальность обзора растет пропор-
ционально корню квадратному от высоты антенны, откуда следует, что увеличение размера
зоны обзора на порядок требует подъема высоты антенны на два порядка. Очевидно, что
попытки расширить обзор таким образом обеспечиваются при экспоненциальном росте
стоимости и сложности оборудования в силу ограничений, внутренне присущих техноло-
гиям прямой видимости.
1.1.3. За горизонтом
Ограниченность дальности обзора обычной РЛС прямой видимости становится пробле-
мой с появлением требований постоянного слежения за отдаленными районами в труд-
нодоступных местах, вблизи которых невозможно или неудобно размещение постоянно
действующей РЛС систем наблюдения прямой видимости. Это может относиться к труд-
ностям материально-технического обеспечения в труднодоступных и малонаселенных
районах, в которых отсутствует инфраструктура жизнеобеспечения, или это могут быть от-
крытые участки океана вдали от государственной береговой линии. Такие ситуации могут
привести к нежелательным дополнительным проблемам в наблюдении за пространством
наблюдения в зоне прямой видимости.
Мобильные платформы с возможностями наблюдения в зоне прямой видимости мо-
гут помочь в решении данной проблемы, но их развертывание без дополнительной ин-
формации в режиме реального времени от датчиков оповещения о появлении признаков
подозрительной активности в контролируемых районах может быть неэффективным и до-
рогостоящим. Страны с большими территориями, такие как Австралия и США, должны
регулярно наблюдать за обширными географическими площадями и объемами воздушно-
го пространства эффективным и надежным образом в целях предоставления в режиме ре-
ального времени полной картины происходящего в воздухе и на поверхности для военных
и гражданских потребителей. Системы радионаблюдения, основанные исключительно
на развертывании большого числа РЛС прямой видимости, каждая из которых располагает
ограниченной зоной обзора, могут оказаться неприемлемыми и с финансовой точки зре-
ния, если очень большие и отдаленные регионы будут контролироваться традиционным
способом.
Кроме того, с возрастанием в настоящее время скорости, скрытности и в ряде слу-
чаев непредсказуемости технологических угроз первостепенное значение приобретают
системы наблюдения, способные своевременно получать информацию (раннее опове-
щение) о потенциальных угрозах с тем, чтобы минимизировать элемент неожиданности.
Для того чтобы радарные системы были способны удовлетворять указанным выше целям
с точки зрения экономической целесообразности, необходим принципиально иной под-
ход, не ограниченный дальностью прямой видимости традиционных систем, работающих
в УКВ- или СВЧ-диапазонах. В результате имеет место стремительное возрождение инте-
реса к использованию радиолокационных систем, которые работают на более низких ча-
стотах, а точнее в КВ-диапазоне, потенциальные возможности которого позволяют обойти
ограничения локации прямой видимости и намного превзойти возможности устаревших
типов радаров.
Важное свойство КВ-диапазона (3–30 МГц), представляющее большой интерес для
разработки РЛС, заключается в уникальной способности КВ-сигналов распространяться
на очень большие расстояния и большую поверхность Земли и за горизонтом. Как показа-
но на рис. 1.4, распространение КВ-сигналов за горизонт может происходить с помощью
двух различных физических механизмов, известных как ионосферное отражение (Skywave)
и распространение наземных, поверхностных волн. Ионосферное распространение от-
носится к режиму, в котором КВ-сигналы «отражаются» в верхних слоях атмосферы, из-
вестных как ионосфера, в которых концентрация свободных электронов в пределах есте-
ственно сформированного ионизированного газа (плазмы) достигает высокого уровня,
достаточного, чтобы существенно повлиять на распространение радиоволн КВ-диапазона.
Ионосфера может отражать высокочастотные сигналы на одной или нескольких действую-
щих высотах между 100 и 400 км, освещая поверхность Земли на расстояниях в тысячи ки-
лометров сигналами с достаточно большой удельной мощностью.
С другой стороны, возможен режим распространения поверхностных волн с вер-
тикальной поляризацией сигнала. В этом режиме значительная часть энергии сигналов
КВ-диапазона может распространяться вдоль проводящей поверхности моря (солевой
раствор) по границе, разделяющей море и воздух. Другими словами, в этом режиме сиг-
нал фактически распространяется в удаленные области на расстояние сотен километров
непосредственно над границей, разделяющей море и воздух, огибая поверхность Земли.
Распространение поверхностных волн не следует путать с аномальным или волноводным
распространением, которое возникает из-за атмосферной рефракции. Данный режим рас-
пространения, несомненно, зависит от электрических свойств поверхности Земли и может
быть реализован даже при отсутствии атмосферы. Очевидно, что режим ионосферного рас-
пространения представляет основной интерес в вопросе сверхдальнего распространения.
Режим поверхностных волн имеет ряд достоинств на коротких загоризонтных расстояниях,
которые обсуждаются в главе 5. На рис. 1.4 проиллюстрирован также тракт прохождения
сигнала СВЧ-радара по «прямой линии», который из-за его более высокой частоты про-
ходит через ионосферу.
Ниже КВ-диапазона, на средних частотах, сигналы ( MF — Medium Frequency) в по-
лосе 0,3–3 МГц испытывают сильное затухание из-за поглощения в нижних частях ио-
носферы, особенно в каналах дальнего распространения в дневное время, в то время как
на более низких диапазонах частот ( LF — Low Frequency, низкая частота / VLF — Very Low
Frequency, очень низкая частота) их полосы пропускания едва хватает для нескольких ка-
налов тональной частоты. Выше КВ-диапазона ионосфера редко обеспечивает отражение
сигналов очень высоких частот (ОВЧ), значительно превышающих 30 МГц, хотя такие сиг-
налы могут быть диффузно рассеяны неоднородностями в ионосфере.
В сущности, полосы частот, прилегающие к диапазону КВ снизу и сверху, вообще не об-
ладают такими уникальными свойствами, которые позволяют коротковолновым сигналам
свободно распространяться далеко за горизонт и обеспечивают тем самым возможность
реализации для загоризонтной радиолокации. В результате вскоре после окончания Второй
мировой войны большое внимание было уделено использованию сигналов КВ-диапазона
применительно к задачам загоризонтной радиолокации. Примерно в это же время в Со-
единенных Штатах объединенными усилиями оборонных, коммерческих и учебных ор-
ганизаций начали проводиться первые исследования по применению РЛС КВ-диапазона
для обнаружения целей за горизонтом с использованием преимуществ ионосферного рас-
пространения. Следует отметить, что к данному времени одностороннее ионосферное рас-
пространение уже давно, в течение многих лет, использовалось в коротковолновой связи
и радиовещании. Действительно, первый междугородный «беспроводный» телеграфный
сигнал был передан через Атлантический океан Гульельмо Маркони 12 декабря 1901 года.
Тем не менее только 25 лет спустя существование ионосферы и ионосферного распростра-
нения радиоволн было доказано экспериментально. Это было достаточно давно, уже после
того, когда основными радиоволнами, ответственными за распространение трансатланти-
ческих сигналов Маркони на расстояние около 3500 км от Полду на побережье Корнуолла
в Англии до Сент-Джонс в Ньюфаундленде, Канада, ошибочно посчитали поверхностные
волны.
С точки зрения перспективы радиолокационного наблюдения режим ионосферного
распространения КВ-сигналов на дальние расстояния предоставляет радару возможность
радионаблюдения поверхности или воздушных целей как далеко за горизонтом, так и по
линии прямой видимости соответственно. В отличие от односторонней КВ-связи или ра-
диовещания на коротких волнах эхо радиолокационного сигнала, отраженное от цели, для
обеспечения обнаружения должно распространяться обратно в принимающую систему
тем же физическим механизмом для возможности обнаружения по двустороннему тракту
распространения.
В сравнении с обзорными микроволновыми РЛС одна КВ РЛС ионосферного распро-
странения способна обеспечить гораздо бо льшую дальность обнаружения и наблюдение
за огромными площадями поверхности и объемами воздушного пространства. Эти свой-
ства служат убедительным аргументом, стимулирующим разработку и использование по-
тенциала ЗГ РЛС. Первые революционные эксперименты в области загоризонтных ионо-
сферных радаров состоялись примерно в начале 1950-х годов в научно-исследовательской
лаборатории ВМС США. В 1956 году решающий цикл экспериментов убедительно пока-
зал, что такие системы могут успешно использоваться для дальнего обнаружения само-
летов [Thomason, 2003]. Изначально проектирование и разработка загоризонтных ионо-
сферных радаров велись ВМС США для обнаружения представлявших основную угрозу
дальних и средних бомбардировщиков и ракетоносцев боевой морской оперативной груп-
пы. Как пояснил Томасон [Thomason, 2003], системы видеонаблюдения, которые могли бы
обнаруживать цели на всем пространстве оперативного театра боевых действий и своевре-
менно предоставлять информацию для тактического реагирования, должны были проти-
востоять именно этой угрозе.
После пионерских достижений Соединенных Штатов ряд других стран, включая Ав-
стралию, Россию (точнее, бывший Советский Союз), Китай и Францию, создали загори-
зонтные ионосферные РЛС гражданского и военного назначения. В частности, австра-
лийская программа создания КВ-радаров (Jindalee) началась с 1970-х с разработки трех
загоризонтных ионосферных радаров, которые сегодня составляют часть оперативной ра-
диолокационной сети (JORN — Jindalee Operational Radar Network). JORN — это действую-
щая сеть радаров Jindalee, которая и в настоящее время используется в качестве основного
средства наблюдения за обширными территориями в системе организации обороны Ав-
стралии.
1.2. Принципы работы загоризонтных радаров
Исторически сложилось так, что загоризонтные ионосферные РЛС были разработаны
под задачи различного назначения, использующие перспективные технологии и средства,
не говоря уже о финансовой стороне вопроса. По этим причинам ранние и современные
загоризонтные РЛС имели и имеют разнообразный спектр характеристик. Для обще-
го знакомства с основополагающими, концептуальными положениями механизма рабо-
ты, физическими характеристиками, а также уникальными возможностями таких систем
основное внимание следует сосредоточить на рассмотрении номинальных режимов, кото-
рые в большей или меньшей степени характеризуют особенности некоторых используемых
в настоящее время загоризонтных ионосферных РЛС. Придерживаясь этой цели, в каче-
стве подходящего ориентира для начального описания загоризонтных ионосферных РЛС
можно выбрать реализации самых последних систем, разработанных в Соединенных Шта-
тах Америки и Австралии для наблюдения за воздушными и наземными целями. Различия
между приводимыми в качестве примеров радиолокационными системами прошлых и на-
стоящих поколений загоризонтных РЛС обсуждаются в третьей главе.
1.2.1. Принцип действия загоризонтных ионосферных РЛС
С помощью рис. 1.5 можно простыми словами пояснить принцип действия ионосфер-
ной ЗГ РЛС. Передающая антенна с электронным управлением диаграммы направленно-
сти посылает КВ-сигнал в выбранном направлении луча по азимуту обзора в различные
секторы зоны ответственности (обзора) за горизонт. Для контроля участков зоны обзо-
ра на различном удалении от ионосферного радара передающая антенна обычно имеет
широкий диапазон изменения положения диаграммы направленности по вертикали, ко-
торый позволяет изменять направление излучения от почти горизонтального угла возвы-
шения (~5 градусов) до примерно 45 градусов. Излучаемые сигналы свободно распростра-
няются по прямой вдоль выбранного направления излучения в нижних слоях атмосферы
(игнорируя тропосферную рефракцию), пока не попадут под углом в нижние слои ионо-
сферы, в которых концентрация свободных электронов достаточно высока для того, чтобы
повлиять на распространение коротких волн. Как только электромагнитная волна попа-
дает в ионосферу, она взаимодействует со свободными электронами, плотность которых
увеличивается с высотой. В отличие от сигналов микроволнового диапазона, которые при
прохождении через ионосферу продолжают распространение практически без отклонения
траектории, коротковолновые сигналы из-за постепенного изменения (увеличения) с вы-
сотой плотности свободных электронов и, следовательно, изменения показателя прелом-
ления радиоволн достигают области критической концентрации, в которой преломляются
и распространяются обратно к Земле.
В одном или нескольких слоях внутри ионосферы, как правило, в пределах выше
100 км и до 400 км, плотность электронов вдоль траектории луча может быть достаточно
высокой для того, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение. Благодаря этому от-
раженные сигналы направляются далее вниз с преломлением траектории распростране-
ния и выходят из слоя ионосферы, попадают в воздушное пространство и на поверхность
Земли, «освещая» районы, лежащие за горизонтом на Земле и над ней. Действительно,
по земле от РЛС. Реальная траектория преломления сигнала, принимаемого радаром после
прохождения через ионосферу, а следовательно, и пространство, которое радар «освещает»
на поверхности Земли, зависят от ряда факторов, из которых одним из наиболее важных
является частота сигнала. Поэтому, изменяя частоту и направление излучения сигнала пе-
редающей антенны, оператор может избирательно по дальности и по азимуту контролиро-
вать разные зоны обзора в различных географических районах.
Любая поверхность или воздушная цель в контролируемой зоне обзора будет препят-
ствовать прохождению энергии падающего сигнала и отражать часть этой энергии во всех
направлениях. Ничтожно малая часть этой энергии, отраженная от цели, возвращается
обратно к высокочувствительному приемнику ЗГ РЛС по ионосферному тракту таким же
образом, как и в прямом направлении при «освещении» цели. Приемник, получая отра-
женное от цели эхо в качестве полезного сигнала, в дополнение к нему получает мешаю-
щие отражения и сигналы, которые содержат в себе ненужные радару сигналы, а именно
сигналы, отраженные обратно от земной или водной поверхности, от ионизированных
метеорных следов и неоднородностей ионосферы. Время от времени могут приниматься
сонаправленные, «попутные» сигналы, не зависящие от сигналов, излучаемых радаром,
а создаваемые другими пользователями КВ-диапазона. И в завершение у загоризонтных
радаров на входе неизбежно присутствуют высокочастотные шумы от атмосферных и га-
лактических источников, которые по мощности намного превышают собственный (тепло-
вой) шум приемника и обобщенно именуются фоновым шумом.
В частности, очень мощные мешающие отражения, возвращаясь, полностью перекры-
вают более слабые отражения от цели, которые не могут быть выделены непосредствен-
но из всей совокупности сигналов, принятых загоризонтной радарной системой. По этой
причине обработка сигнала применяется к необработанным данным таким образом, что-
бы очень слабые полезные сигналы могли быть обнаружены с требуемой достоверностью.
На различных этапах обработки сигналов при доплеровской обработке важно отличать от-
ражения от движущихся целей от конкурирующих, мешающих отражений. Кроме обнару-
жения присутствия целей в зоне обзора, для локализации и сопровождения целей в течение
долгого времени также применяется соответствующая обработка данных. Географическое
отображение установленных траекторий, которые представляют диспетчеру РЛС четкую
картину продвижения воздушных и наземных целей в зоне наблюдения, представляет со-
бой конечный продукт работы загоризонтной радиолокационной системы.
Общая протяженность зоны обнаружения по дальности загоризонтной радиолокаци-
онной системы номинально находится в диапазоне между 1000 и 3000 км и зависит от про-
ектных свойств системы. Угловые размеры зоны обнаружения могут составлять 60, 90, 180
или 360 градусов по азимуту. Дальность обнаружения загоризонтной РЛС в пределах тро-
посферы на порядок больше, чем у наземных радаров прямой видимости при обнаружении
высотных целей. При обзоре низколетящих самолетов и надводных кораблей относитель-
ное увеличение дальности обнаружения в сравнении с обычным наземным микроволно-
вым радаром фактически выше на два порядка. Это происходит потому, что загоризонтные
радары «глядят вниз», освещая цели на всех высотах ниже ионосферы.
Важное свойство распространения КВ-сигнала (дифракционные эффекты в сочета-
нии с позицией наблюдения «вид сверху» при ионосферном распространении) заключа-
ется в устранении (или значительном уменьшении) теневых областей в зоне наблюдения
таким образом, что цели не могут использовать топографические особенности местности,
такие как горы или впадины, чтобы умышленно избежать «освещения». Кроме того, от-
носительно длинные волны, используемые ЗГ РЛС, обеспечивают им невосприимчивость
к воздействию метеорологических явлений, с которыми часто сталкиваются микровол-
новые радары радиолокационных систем в том смысле, что из-за атмосферных осадков
возрастают затухание сигнала и влияние мешающих отражений от метеообразований, что
не является проблемой в КВ-диапазоне. Однако, строго говоря, характеристики загори-
зонтных радаров не совсем не зависимы от погоды: например, грозовая активность может
значительно повысить уровень шума из-за грозовых разрядов и в открытом море может
повлиять на обнаружение медленно перемещающихся целей из-за мешающих отражений
от поверхности.
Общая площадь зоны обзора одной загоризонтной РЛС может составлять 6–12 мил-
лионов квадратных километров. Оценка такой огромной территории может быть сдела-
на по рис. 1.6, на котором очерчена зона обзора трех австралийских загоризонтных РЛС,
образующих сеть JORN, на географической карте расположенных рядом: Элис-Спрингс
(Северная территория), Лавертон (Западная Австралия) и Лонгрич (Квинсленд). Для срав-
нения на рис. 1.6 показана зона обнаружения наземного микроволнового радара. Затенен-
ный внешний круг зоны обзора радара прямой видимости воздушных целей соответствует
высоте полета коммерческих авиакомпаний, а меньший внутренний круг зоны обзора це-
лей соответствует их нахождению на поверхности или на малой-низкой высоте. К слову,
в данный момент уместно объяснить, что загоризонтный радар не может контролировать
одновременно всю зону потенциального обзора. Вообще количество задач обзора (каждая
из которых включает одну или несколько зон обзора) и график их исполнения планируют-
ся параллельно со временем проведения РЛС наблюдений в выбранной части общей зоны
обзора и в заданный интервал времени.
В зависимости от назначения и класса целей, которые влияют на требования, предъ-
являемые к ресурсам системы, загоризонтный радар может оперативно обнаруживать и от-
слеживать цели в режиме реального времени на областях от нескольких десятков тысяч
до, возможно, более одного миллиона квадратных километров. Хотя капитальные затраты
на развертывание ЗГ РЛС значительно выше, чем у обычной РЛС прямой видимости, она
обеспечивает необыкновенно экономически эффективный обзор поверхности и воздуш-
ного пространства на единицу площади и объема соответственно. Главное преимущество,
однако, заключается в возможности обеспечить раннее предупреждение и широкий обзор
географических территорий, что невозможно сделать за счет развертывания РЛС СВЧ или
других средств на прямой видимости.
На рис. 1.7 схематично представлены общая зона контроля загоризонтного радара
и меньший район наблюдения внутри него, известный как «след» или проекция зоны обна-
ружения радара (или передатчика) — область земной поверхности, которая при конкретном
выборе несущей частоты сигнала и направленности диаграммы излучения контролируется
в текущий момент времени (мгновенно). Ограничение размера мгновенной проекции зоны
обзора по дальности происходит из-за конечной высоты и уровня электронной концентра-
ции ионосферного слоя, обеспечивающего распространение сигнала на фиксированной
частоте, а ограничение по азимуту возникает из-за ограничения ширины луча диаграммы
направленности передающей антенны радара по азимуту. Номинальная длина и попереч-
ный размер проекции луча диаграммы передающей антенны радара на поверхности Земли
количественно будут определены позже. Главное здесь то, что для поиска целей в одном
районе наблюдения необходимо последовательно сканировать лучом радара по азимуту
и дальности, чтобы обеспечить контроль всех районов в общей зоне наблюдения.
Как правило, ЗГ РЛС одновременно контролирует некоторое число активных райо-
нов наблюдения, которые географически расположены в местах, представляющих интерес
в данный конкретный момент времени. РЛС для сбора данных о конкретном районе на-
блюдения в течение определенного времени сканирует его, а затем этот процесс пошагово
в установленной очередности повторяется в других активных регионах видеонаблюдения.
Таким образом, ЗГ РЛС по нескольку раз в запланированной последовательности просма-
тривает каждую из активных областей наблюдения. Размер каждой области наблюдения
эффективно ограничивается размерами «освещенной» радаром площади — проекции
на поверхности Земли. Чтобы подчеркнуть, что зона наблюдения (или проекция диаграм-
мы направленности передатчика РЛС) полностью «освещается» в течение интервала радио-
локационного зондирования, ее обычно называют также областью обзора, одновременно
покрываемой лучом ( DIR — Dwell Interrogation Region). Последовательность, в которой
ЗГ РЛС проводит зондирование различных зон DIR, называют последовательностью или
стратегией сканирования. Площадь обзора разбивается на набор участков зондирования
DIR для проведения ЗГ РЛС согласованного во времени сканирования и может рассматри-
ваться как процесс обнаружения и сопровождения целей в реальном времени.
При плановом зондировании число зон ограничено интервалом времени когерентно-
го накопления каждой области обзора, одновременно покрываемой лучом всех зон DIR.
Длительность когерентного накопления определяется процессом доплеровской обработки
каждой зоны DIR, а время повторного зондирования определяется необходимостью эф-
фективного сопровождения целей. Как уже упоминалось, эти противоречивые требования
почти всегда означают, что время оперативного облучения в режиме реального времени
ЗГ РЛС всегда меньше времени, нужного для наблюдения во всей потенциальной области.
В связи с этим возникает ряд вопросов. Например, какие факторы определяют размеры
потенциальной зоны наблюдения, такие как минимальный и максимальный диапазон, что
такое физический размер зоны DIR и какова разрешающая способность РЛС (или ячейка
разрешения) внутри нее? Ответы на эти вопросы дают предварительные сведения о номи-
нальных возможностях загоризонтных радиолокационных систем и чуть позже будут об-
суждаться в данной главе.
1.2.2. Общая характеристика
Хотя наличие ионосферы позволяет ЗГ РЛС обнаруживать и сопровождать цели на рас-
стояниях, на порядок величин бо льших, чем обычные радиолокационные системы,
на практике ионосфера как среда распространения также служит источником многих
неопределенностей и трудностей. Следовательно, характеристики ЗГ РЛС определяются
не только структурой системы и эксплуатационными параметрами, но также сильно за-
висят от свойств и состояния ионосферы, а также характеристик электромагнитного фона
в частотном диапазоне работы радара ( EM — Electromagnetic). В продолжение введения
к этой главе наряду с основными физическими характеристиками типичных загоризонт-
ных радиолокационных систем ниже кратко представлены общие свойства ионосферы
и окружающая электромагнитная обстановка в КВ-диапазоне.
1.2.2.1. Среда распространения
Естественно ионизированный газ (плазма) в ионосфере создается излучением частиц вы-
сокой энергии, испускаемых Солнцем. Это достаточная концентрация свободных электро-
нов, образующихся в определенных слоях ионосферы, которая обеспечивает возвращение
энергии КВ-сигнала на Землю с помощью так называемого ионосферного распростране-
ния. Концентрация свободных электронов, чаще упоминаемая как плотность электронов,
в зависимости от высоты слоя ионосферы может изменяться более чем на два порядка. Вы-
соты максимумов ионизации также изменяются в зависимости от времени и географиче-
ских координат. Несмотря на то что в ночное время прямое излучение Солнца отсутствует,
ионосфера никогда полностью не исчезает и всегда имеет плотность ионизации, достаточ-
ную для отражения КВ-сигналов и для работы ЗГ РЛС.
Хотя наличие ионосферы можно воспринимать как некоторую данность с обобщенны-
ми и в определенной степени достаточно часто предсказуемыми свойствами, но на прак-
тике и, в частности, при организации загоризонтной радиолокации эти свойства не всегда
представляется возможным точно прогнозировать. Помимо присущей ей непредсказуемо-
сти, ионосфера обладает рядом уникальных свойств, способствующих распространению
КВ-сигналов. Некоторые из них заметно отличаются от особенностей, рассмотренных
в литературе, посвященной микроволновым РЛС. Ряд важных характеристик ионосферы,
которые влияют на распространение КВ-сигнала и, следовательно, на работу ЗГ РЛС, при-
ведены ниже. Более подробное описание ионосферы и ее свойств с точки зрения среды
распространения КВ-сигналов представлено во 2 главе.
В отличие от канала распространения прямой видимости СВЧ-диапазона, ионосфер-
ные каналы отличаются высокой динамичностью, пространственной неоднородностью
и анизотропностью среды распространения КВ-сигналов, частотно-зависимые характери-
стики которых существенно изменяются в полосе частот КВ-диапазона. Рабочие частоты,
наиболее подходящие для зондирования конкретного региона обзора, существенно из-
меняются в зависимости от времени суток (суточный ход), месяца (сезонные колебания)
и в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Как правило, для отслеживания мас-
штабных изменений в ионосфере рабочая частота должна корректироваться каждые 10–
30 минут и, возможно, еще быстрее в утренние и вечерние часы по линии разделения света
и тени и в периоды ионосферных возмущений.
Оптимальная частота для «освещения» конкретного района наблюдения днем может
в два раза отличаться от частоты, которая требуется ночью. Кроме того, отношение частот,
которое требуется для зондирования различных районов в заданной зоне контроля ЗГ РЛС
в конкретный момент времени, может быть равно 2 к 1 или 3 к 1. Рабочая частота также
может изменяться для районов наблюдения той же дальности, но в других азимутальных
направлениях, в частности при прохождении зон линией солнечного терминатора (в часы
рассвета или наступления сумерек). Обобщая вышесказанное, можно сказать, что качество
обнаружения и сопровождения цели ЗГ РЛС, использующей ионосферное распростране-
ние, существенно зависит от изменений частоты, времени и места.
Кроме того, плотность электронов в ионосфере имеет характерную структуру горизон-
тальных слоев. Это создает условия для отражения КВ-сигнала от отличающихся по плот-
ности электронов различных ионосферных слоев, расположенных на различной высоте.
На практике отраженные сигналы часто состоят из суперпозиции нескольких составляю-
щих или мод, распространяющихся по разным путям между двумя конечными пунктами
на поверхности Земли. Четыре или более сильных типа волн — мод с, возможно, совер-
шенно разными задержками времени, доплеровскими сдвигами частоты и углами паде-
ния, могут прийти на вход ЗГ РЛС от одной цели и сгруппированы для распознавания.
Вообще условия многолучевого распространения сигналов КВ-диапазона при отражении
от ионосферы намного сложнее интерференции, возникающей между прямым лучом и от-
раженным от поверхности, которые часто рассматриваются в радиолокационных системах
прямой видимости.
Коэффициент преломления КВ-радиоволн в ионосфере неоднороден и изменяется
как под влиянием магнитного поля Земли, так и по высоте. Эта зависимость коэффициента
преломления оказывает влияние на поляризацию распространяющейся волны и направле-
ние ее распространения. Затухание сигналов КВ-диапазона из-за поглощения в ионосфере
также может быть значительным, особенно в нижней части высот ионосферы, известной
как D-область (ниже приблизительно 90 км). Помимо этого «нормального» поведения, ио-
носфера также подвержена волнообразным возмущениям, геомагнитным бурям и множе-
ству других явлений, которые могут значительно повлиять на ее свойства в качестве среды
распространения радиоволн [Davies, 1990]. Некоторые общие характеристики ионосфер-
ного канала распространения КВ приведены в табл. 1.2.
Как уже упоминалось ранее, для эффективной работы ЗГ РЛС необходимо, чтобы
частота радиолокационного сигнала выбиралась в реальном масштабе времени таким
образом, чтобы оптимизировать эффективность обнаружения цели в зоне наблюдения.
А это требует, чтобы ЗГ-радар мог динамично перестраивать частоту в широком диапазоне КВ-спектра. Для эффективной работы ЗГ-радара днем и ночью по всей зоне на-
блюдения могут потребоваться несущие частоты, отличающиеся на две или более октавы.
Поскольку свойства ионосферы невозможно спрогнозировать с требуемой для работы си-
стем ЗГ РЛС степенью точности, то необходима выделенная система управления частотой
( FMS — Frequency Management System). Система управления частотой должна предостав-
лять главной ЗГ РЛС информацию и рекомендации по условиям распространения в реаль-
ном масштабе времени и с учетом особенностей местоположения РЛС либо с помощью
баз эмпирических данных, либо с помощью основанных на них аналитических моделей.
Кроме того, ЗГ РЛС отличает то, что во избежание помех от большого числа пользователей
КВ-диапазона необходимо непрерывно контролировать занимаемый спектр по уровню су-
ществующих в нем непреднамеренных помех.
Критерием оценки частотного канала служит отношение сигнал/шум — ОСШ (SNR —
Signal-to-Noise Ratio), которое после доплеровской обработки мешающих отражений ока-
зывает решающее влияние на обнаружение быстро движущихся целей. Самолеты размера-
ми класса истребителей или больше могут быть легко обнаружены ЗГ РЛС. Ионосферный
канал создает временную модуляцию сигнала радара порядка долей секунды, которая ис-
кажает амплитуду и фазовый состав эха на интервале когерентной обработки. Это явле-
ние складывается с доплеровским сдвигом и расширяет отраженный КВ-сигнал. Чистота
доплеровского спектра представляет наиболее важный критерий при оценке частоты ка-
нала, особенно при обнаружении медленно движущихся целей, в которых полезные сиг-
налы должны быть обнаружены преимущественно в мешающих отражениях, а не шумах.
При благоприятных условиях ЗГ РЛС способна обнаруживать океанские корабли со сталь-
ным корпусом.
1.2.2.2. Характеристики системы
Если большинство обычных СВЧ-радаров системы однопозиционные1, которые работают
импульсными сигналами в классической моностатической конфигурации, многие ионо-
сферные ЗГ радиолокационные системы используют непрерывные сигналы в двухпозици-
онной конфигурации, в которой передатчик и приемник находятся в различных местах.
Двухпозиционная конфигурация берет свое начало от ЗГ РЛС, известной как (WARF — Wide
Aperture Research Facility, широкоапертурная научно-исследовательская установка), кото-
рая была построена в центральной Калифорнии сотрудниками и студентами Стэнфордско-
го университета в 1967 году, до того как он стал Стэнфордским научно-исследовательским
институтом ( Stanford Research Institute (SRI)). Этот новаторский ЗГ-радар, возможно,
представляет первую РЛС, которая убедительно продемонстрировала непрерывную работу
с использованием двух позиций для размещения оборудования. Другое наследие WARF,
которое явно присутствует во многих ЗГ РЛС, состоит в использовании в приемнике эле-
ментов унифицированной линейной антенны с очень широкой апертурой и вертикаль-
ной поляризацией, а на передаче используется антенная решетка, имеющая относительно
узкую апертуру с вертикально поляризованными логопериодическими диполями (ЛПДА,
LPDA — Log-Periodic Dipole Array) [Barnum, 1993].
На рис. 1.8 показана передающая антенна ЗГ РЛС Jindalee, расположенного в Хартс,
на расстоянии около 100 км к северо-востоку от Элис-Спрингс в Центральной Австралии,
а на рис. 1.9 показана приемная антенна ЗГ радара Jindalee, расположенная на горе Эве-
рард, примерно в 40 км к северо-западу от Элис-Спрингс. Хотя это и двухпозиционная ар-
хитектура ЗГ РЛС, но о ней часто говорят как о «квазимоностатической» конфигурации,
потому что расстояние между передающей и приемной площадкой (~100 км) значительно
меньше, чем диапазон действия радиолокатора (1000–3000 км).
Антенны СВЧ-радаров, как правило, имеют основной, самый крупный размер поряд-
ка нескольких метров, что делает возможным их размещение на различных платформах.
А раскрыв приемной антенны ЗГ РЛС может иметь 2–3 км в длину и передающую антенну
с апертурой 100–150 м. ЗГ РЛС нуждаются в очень больших площадях и открытых про-
странствах и при этом в зонах с низким уровнем внешних помех. Обычный микроволновый
радар может быть легко построен в виде единой системы и сканированием луча диаграммы
направленности с помощью механического вращения всей конструкции антенны. С дру-
гой стороны, OTH РЛС должны работать с использованием антенных систем на основе
многоканальных антенных решеток с электронным управлением и формированием диа-
грамм направленности на передачу и прием.
Кроме этих структурных различий, есть еще один важный аспект, который отлича-
ет ЗГ РЛС от ее микроволнового аналога. Конкретно загоризонтная радиолокационная
система работает более эффективно благодаря использованию специальной сети геогра-
фически распределенных вспомогательных датчиков для мониторинга текущего состояния
ионосферы. Этот дополнительный к главной РЛС набор датчиков, который раньше назы-
вали системой управления частотой (FMS), отслеживает также занятость каналов с тем,
чтобы свободные от сильных радиочастотных помех ( RFI — Radio Frequency Interference)
каналы могли быть выделены и рекомендованы для дальнейшего использования. Систе-
ма управления частотой — FMS, полезна не только для автоматизированного обеспечения
главной РЛС рекомендациями по оптимальному выбору частоты при выполнении кон-
кретной задачи или программы. Кроме этого, она облегчает преобразование траектории
цели, сформированной из координат РЛС, угла прихода сигнала и дальности, в географи-
ческие координаты цели (широта и долгота) в процессе, называемом определением коорди-
нат цели.
Несмотря на то что ЗГ РЛС для обеспечения устойчивого распространения сигналов
при изменяющихся условиях распространения необходима большая часть КВ-диапазона,
излучаемые сигналы имеют относительно небольшую полосу частот и занимают очень
узкие полосы спектра в любой заданный момент времени. Многие двухпозиционные
ЗГ РЛС передают повторяющиеся непрерывные сигналы с линейной частотной модуляци-
ей (ЛЧМ-сигнал, FMCW — Frequency Modulated Continuous Waveform) или ее вариант, ко-
торый имеет нужные свойства функции неопределенности и в то же время минимизирует
уровень внеполосных излучений. Сигнал радара «освещает» район наблюдения в течение
интервала когерентной обработки ИКО (CPI — Coherent Processing Interval) или периода
фиксации, в течение которого излучается несколько линейных ЧМ-импульсов или кача-
ний частоты, и система принимает отраженное эхо (сигнал от цели). Далее в главе 3 будут
представлены основные радиолокационные подсистемы, свойства линейной ЧМ (ЛЧМ-
сигнал) и система управления — FMS.
1.2.2.3. Обработка сигналов и условия распространения КВ-сигналов
На диаграмме (рис. 1.10) показаны различные виды сигналов, которые могут приниматься
ЗГ РЛС. В левой и правой ветвях показаны классы радиолокационных сигналов когерент-
ного и некогерентного типа соответственно. Когерентные сигналы излучаются передат-
чиком радара и могут дополнительно классифицироваться как мешающие отражения или
полезные сигналы (отражение от цели). В ЗГ РЛС мешающие отражения возникают из-
за обратного рассеяния от пространственно распределенных участков поверхности Зем-
ли или обратного рассеяния от других пассивных источников, которые не принадлежат
цели, например эхо вследствие кратковременной ионизации, создаваемой метеорными
следами.
Некогерентные сигналы присутствуют независимо от того, включен радар или выклю-
чен, далее могут быть разделены на искусственные и естественные помехи, создающие фо-
новый шум. Природный фоновый шум может быть либо галактического происхождения
(например Солнца и других звезд) или атмосферного происхождения (например грозовых
разрядов). С другой стороны, искусственные помехи можно рассматривать как непред-
намеренные (например электрические машины) или преднамеренные (например радио-
станции с AM). Вообще ЗГ РЛС разрешается использовать широкие полосы КВ-спектра
на вторичной основе. Взамен такие системы, в соответствии с национальными стандарта-
ми и нормативными документами Международного союза электросвязи (МСЭ), применя-
ют политику невмешательства, выбирая незанятые каналы, свободные от использования
другими лицами (радиотехническими системами). Свойства помех и шума, принимаемых
ЗГ РЛС, определяются не только природой и географическим расположением источни-
ков сонаправленных, попутных каналов, но и характеристиками среды распространения
(ионосферных каналов), которые на выбранной рабочей частоте объединяют различные
помехи и шумы источников в приемнике ЗГ-радара. Полный составной сигнал на входе
приемника содержит мешающие, паразитные отражения, помехи и шум. Характеристики
обнаружения (то есть после применения методов подавления нежелательных сигналов)
в отличие от энергии помех на входе приемника определяются остаточным уровнем и рас-
пределением энергии нежелательного сигнала на цели (доплеровская дальность и азимут)
в области поиска.
Для эффективного снижения уровня помех необходимы и совершенная обработка
сигналов, и управление частотой в режимах реального времени, которые в загоризонтных
радарных системах рассматриваются совместно, а не раздельно. Традиционно цифровые
коды управления, полученные приемной антенной РЛС во время облучения, используются
для формирования диаграммы направленности, оценки дальности и доплеровской обра-
ботки. Кроме этого, регулярно предпринимаются шаги по улучшению условий приема сиг-
нала при наличии кратковременных помех, возникающих от грозовых разрядов или отра-
жений от метеорных следов. Эти базовые этапы обработки сигналов описываются в 4 главе
при постоянном коэффициенте ложных тревог, максимальной оценке обнаружения, от-
слеживания и регистрации координат. Адаптивные методы обработки будут рассмотрены
в III части.
Важность обработки сигналов для успешной работы ЗГ РЛС можно проиллюстриро-
вать на простом примере. В отличие от наземных микроволновых радаров, которые благо-
даря приподнятой вверх диаграмме направленности могут в некоторых случаях избегать
сильного влияния мешающих отражений в рабочем диапазоне, ЗГ РЛС должна обнаружи-
вать эхо от цели при наличии мощного мешающего влияния отражений от больших площа-
дей земной поверхности, которые одновременно занимают все представляющее интерес
пространство. Хотя большая часть энергии КВ-сигнала, как правило, рассеивается в пря-
мом направлении, относительно большая часть энергии в элементе разрешения ЗГ РЛС
возвращается к приемнику в виде мешающих отражений, которые могут быть на 40 и до
80 дБ выше уровня отраженного от цели сигнала. Так как размеры этого элемента разреше-
ния (ячейки клетки растра) из-за практического ограничения на максимум произведения
ширины полосы частот и апертуры системы не могут быть уменьшены, то исключительно
большое значение для обнаружения целей имеет доплеровская обработка сигналов.
К счастью, частота КВ-сигналов при ионосферном распространении на интервалах
времени порядка секунд по большей части остается достаточно стабильной, а энергия
помех, отраженных от поверхности Земли, в основном ограничена небольшой поло-
сой доплеровских частот с центром около нуля герц и шириной менее нескольких герц1.
А с другой стороны, отражения от целей, движущихся с относительной скоростью vr,
имеют доплеровский сдвиг частоты, который определяется хорошо известным выраже-
нием fd = 2vr fc/c, где fc — несущая частота сигнала. Неманеврирующий самолет создает,
как правило, отражение с хорошо определяемым доплеровским сдвигом, которое чаще
всего находится в диапазоне между 5 и 50 Гц и обычно за пределами спектра помех отра-
жения в занимаемом участке доплеровского спектра. Важно отметить, что приемник дол-
жен иметь достаточный динамический диапазон для точного сохранения спектральных
характеристик сильных мешающих отражений и значительно более слабых отражений
эха. Это может быть реализовано с помощью доплеровского метода обработки сигналов
при соответствующем выборе конуса направленности, которые создают эффективные
средства разделения спектров эха цели и помех отражения по разным частотным полосам.
В идеальном случае это позволяет обнаруживать движущиеся цели на фоне более сильно-
го внешнего шума, превышающего обычно уровень собственного шума приемника, кото-
рый гораздо слабее уровня отраженных помех. На рис. 1.11 иллюстрируется на реальном
примере возможность обнаружения эха цели среди мешающих отражений с помощью до-
плеровской обработки сигналов.
1.2.3. Практические приложения применения
Основные задачи обзорных загоризонтных радиолокационных систем ионосферного рас-
пространения преимущественно заключаются в обнаружении и сопровождении целей.
Под эгидой обзорных приложений ионосферные ЗГ РЛС могут широко использоваться
в оборонных и в гражданских целях с различными приоритетами и классами целей, как,
например, самолеты и надводные корабли. Кроме задач наблюдения, ионосферные ЗГ РЛС
могут быть задействованы в сфере дистанционного зондирования, в том числе океаногра-
фических или ионосферных исследований. В этом случае полезные сигналы представлены
отражениями от естественных объектов, в то время как сигналы, отраженные от техноген-
ных объектов (скрытые цели), создают мешающие отражения.
Последующие разделы настоящей главы в основном не связаны с задачами дистан-
ционного зондирования, а преимущественно посвящены применению ЗГ РЛС в решении
задач оборонного и гражданского характера. Прикладное дистанционное зондирование
кратко рассмотрено ниже, но не обсуждается в деталях, так как эта тема достаточно об-
ширна и заслуживает того, чтобы стать предметом отдельного издания. Несмотря на то что
наблюдение и дистанционное зондирование представляют собой два наиболее распро-
страненных примера использования ионосферных ЗГ РЛС, эта технология может найти
и другие практические приложения и не ограничивается тем, что изложено далее.
1.2.3.1. Раннее обнаружение в обширной зоне наблюдения
Обзорные ЗГ РЛС и РЛС СВЧ прямой видимости имеют много общих типов целей. Пред-
ставляющие интерес воздушные цели могут быть представлены крылатыми и баллистиче-
скими ракетами, вертолетами и частными самолетами, военными самолетами (с разме-
рами истребителей или бомбардировщиков) и крупными гражданскими авиалайнерами.
С другой стороны, представляющие интерес цели на поверхности Земли могут оказаться
наземными транспортными средствами различного размера, маленькими быстроходными
катерами, океанскими рыболовными судами и большими стальными военными кораблями
(патрульные катера, крейсеры, эсминцы и авианосцы). Загоризонтные РЛС и РЛС пря-
мой видимости также имеют общие обзорные задачи, а именно обнаружение, локализация
и сопровождение цели, в процессе сканирования зоны контроля и поиска других целей, то
есть сопровождение в процессе сканирования. Важное различие между этими двумя систе-
мами заключается в том, что ЗГ РЛС обеспечивают более раннее предупреждение и в более
широкой зоне обзора, хотя и с более низким разрешением и точностью, чем традиционные
микроволновые РЛС.
Ограниченная точность ЗГ РЛС в общем означает, что такие системы не могут рас-
сматриваться как законченное решение, удовлетворяющее государственным интересам
и требованиям к наблюдению за воздушным и морским пространством. Роль ЗГ РЛС
в организации обороны необходимо оценивать с точки зрения того вклада, который она
предоставляет для национальной безопасности как одна из составляющих всего комплекса
средств наблюдения. Например, возможности раннего предупреждения с широкой зоной
обзора ЗГ РЛС могут быть использованы для подачи команд на подключение других ре-
сурсов в районы, в которых обнаружена необычная активность. Такие ресурсы могут быть
представлены высокоточными средствами наблюдения и разведки, установленными на мо-
бильных платформах, например на патрульных катерах или воздушных средствах дальне-
го радиолокационного предупреждения и управления самолетами. Возможность подачи
команд на подключение средств, которые имеют большую точность, но более ограничен-
ную зону обзора в режиме реального времени, создает предпосылки для структурных из-
менений в системе наблюдения. При наличии целостной системы контроля, сбора данных
и управления создаются условия для более эффективного реагирования на потенциальные
угрозы и более эффективного использования ресурсов, а возможно, и уменьшения числа
систем, которые должны создаваться и эксплуатироваться.
Как уже упоминалось выше, ЗГ РЛС сканирует зону наблюдения в режиме реального
времени, выполняя одно или несколько заданий, которые, как правило, сгруппированы.
В свою очередь, каждое задание формирует соответствующие зоны наблюдения, одну или
несколько. Рабочие параметры ЗГ РЛС могут изменяться от региона к региону. Рабочие
параметры зависят от назначения и местоположения региона наблюдения. На рис. 1.12 по-
казан набор типичных задач, соответствующих четырем основным видам гипотетических
ЗГ РЛС. Различные виды задач обозначены буквами от А до D. РЛС облучает («освещает»)
каждую зону DIR на интервале времени когерентной обработки, а затем в запланирован-
ном порядке последовательно обходит различные зоны DIR. В зависимости от выбранных
приоритетов во время последовательного обхода выполнение различных задач может
чередоваться, но при этом необходимо гарантировать, что темп повторного облучения
зоны будет достаточным, чтобы не допустить ухудшения показателей слежения.
Поскольку задачи ЗГ РЛС могут быть по-крупному разделены на воздушные цели
и цели на поверхности, то их структура и использование могут иметь различное тактиче-
ское назначение. Задача А обычно упоминается под общим названием «барьерной задачи».
Этот тип задач в основном предназначен для наблюдения за самолетами и должен обеспе-
чивать обнаружение целей, движущихся в определенном месте, представляющем «барьер».
Когда другие задачи не настолько активны, то задача B может рассматриваться как «задача
вглядывания», поскольку она обеспечивает непрерывный контроль, сосредоточенный на
одной области наблюдения. Данный тип задач может быть использован для сосредоточен-
ного слежения за аэропортами, стратегическими морскими линиями или, например, за ра-
кетными пусковыми установками.
Задачу C можно отнести к задаче «силовой защиты». Она может быть использована для
обеспечения наблюдения за воздушными линиями или передвижениями военно-морского
флота в заданных местах. Задача D — это дистанционное зондирование, которое может
использоваться при составлении карт волнения моря и ветров или отслеживания цикло-
нов. Поскольку эти задачи используют определенный радиолокационный ресурс, то, как
правило, они решаются в отрыве от основных задач радиолокационного зондирования.
Задачи воздушного и наземного зондирования часто несовместимы (из-за различий в дли-
тельностях временной выдержки) и проводятся раздельно, а разработчику системы необхо-
димо обеспечить высокий темп проведения текущего и последующих обзоров. Выбор типа
задачи зависит не только от планирования ресурса и совместимости задач, но также и от
пригодности применения в данных условиях распространения.
Сформированную ЗГ РЛС картину воздушной и наземной обстановки можно ис-
пользовать несколькими способами. Как показано в [Cameron, 1995], данные ЗГ РЛС мо-
гут использоваться вооруженными силами непосредственно до и после обработки. В по-
следнем случае информация, собранная за определенный период времени, объединяется
и создается систематизированная база знаний о происходящем в представляющей интерес
области, либо во время боевых действий информация отслеживается в режиме реального
времени и представляет живую картину происходящего в воздухе и на земле. Такой подход
призван помочь военному командованию в постановке задач и тактическом развертыва-
нии оборонных средств наилучшим образом. Важно отметить то, что проведение ЗГ РЛС
классификации целей очень широким диапазоном характеристик чрезвычайно затрудне-
но, например оценивание высоты цели, хотя прогресс в последнем вопросе был достигнут.
Возможности наблюдения посредством ЗГ РЛС дают не только ценную информацию для
своевременного предупреждения о критических ситуациях, но и сведения для дальнего на-
блюдения, которые могут быть использованы в качестве сдерживающего фактора эскала-
ции конфликтов [Cameron, 1995].
Данные, получаемые ЗГ РЛС, могут использоваться в гражданских целях, для контро-
ля морского и воздушного пространства вне диапазона обычных РЛС прямой видимости.
Например, данные радиолокационных наблюдений ЗГ РЛС могут помочь правоохрани-
тельным органам бороться с трафиком наркотиков, используя мониторинг стратегиче-
ских воздушных и морских маршрутов, предпочитаемых поставщиками наркотиков. На-
пример, небольшой частный самолет, который используется в качестве транспортного
средства незаконного оборота наркотиков через международные границы, может быть
обнаружен и отслежен ЗГ РЛС с последующим представлением береговой охране или
другим органам государственной власти сведений для перехвата и изъятия наркотиков
[Ciboci, 1998].
ЗГ РЛС могут быть также использованы для обнаружения незаконной рыбной ловли
в прибрежных водах и для защиты морских буровых платформ, предупреждая патрульные
средства о присутствии неопознанных морских целей. Данные о наземных и морских трассах
могут помочь иммиграционным и таможенным органам в охране границы, в обнаружении
судов, используемых для незаконного перевоза людей — «контрабанды людей», особенно
на подходах к малонаселенной береговой линии, неохваченной другими средствами кон-
троля. ЗГ РЛС могут также использоваться для оказания помощи в поисково-спасательных
операциях.
1.2.3.2. Дистанционное зондирование
В отличие от обнаружения и отслеживания техногенных целей, радиолокационные си-
стемы ЗГ РЛС также могут быть использованы для мониторинга окружающей среды в об-
ширных или труднодоступных регионах. Известны по крайней мере два основных при-
менения дистанционного зондирования, в которых методы КВ-радиолокации уже внесли
существенный вклад: это формирование климатологических баз данных для исследования
ионосферы, а также отображения состояния моря и связанное с этим картографирование
поверхностных ветров. Более подробная информация относительно взаимодействия КВ-
радиоволн с ионосферой и поверхностью океана появится в главах 2 и 5 соответственно.
Хотя такое взаимодействие подразумевается при описывании приложений радиолокаци-
онного наблюдения ЗГ РЛС, большую часть информации уместно упомянуть в связи с дис-
танционным зондированием. В данном разделе кратко обсуждаются два основных аспекта
применения КВ-радаров в дистанционном зондировании. Для более углубленного зна-
комства с вопросом сделаны соответствующие ссылки.
В середине 1920-х годов методы, которые предшествовали современным КВ-радарам,
были использованы сэром Эдвардом Эпплтоном в Великобритании и Г. Брейтом и М. Туве
в Соединенных Штатах для доказательства существования ионосферы. Более конкретно
Эпплтон и его коллеги в 1924 году разработали ионозонд и с тем, чтобы убедительно до-
казать существование электрически заряженного слоя, который Эпплтон назвал E-слоем,
начали наземное зондирование с использованием частотно-модулированных непрерыв-
ных сигналов. В следующем году Эпплтон обнаружил второй отражающий слой, который
он назвал F-слоем. Примерно в то же время Брейт и Туве для исследования свойств эха, от-
раженного от различных слоев ионосферы, используют оборудование ВЧ-зондирования,
применяя импульсные сигналы. В настоящее время радиозондирование ионосферы, осно-
ванное на принципах радиолокации, проводится регулярно. Анализ высотной структуры
и морфологии ионизации верхних слоев атмосферы в широком пространственном и вре-
менном диапазонах проводится современными средствами вертикального и наклонного
зондирования.
Физические модели, описывающие распространение радиоволн через ионосферу, мо-
гут использовать обращенное эхо КВ-следов для оценки профиля плотности ионизации
по высоте в разное время и в разных местах. Сбор информации всемирными сетями зонди-
рующих станций способствовал созданию эмпирических баз данных и моделей поведения
ионосферы как функции времени и географических координат. Такие инструменты исполь-
зуются также для изучения образований и движения неоднородностей плотности электро-
нов и перемещающихся ионосферных возмущений. Подробные свойства распростране-
ния сигнала, такие как многолучевая временная дисперсия, скорость и глубина замирания
и доплеровский сдвиг и/или расширение частоты, были проанализированы с точки зрения
разработки КВ-систем, использующих ионосферное распространение. Уточняющие све-
дения по использованию методов радиозондирования для дистанционного сбора данных
о структуре и динамике ионосферы можно найти в работе [Davies, 1990].
Основу дистанционного зондирования состояния моря КВ-радарами составляет то
обстоятельство, что детальная структура спектра эха Доплера содержит существенную ин-
формацию о характеристиках поверхности океана и связанных с ними поверхностных ве-
тровых полях. В частности, сформулированная при относительно мягких предположениях
[Barrick, 1972a] взаимосвязь между спектром высот направленных волн на морской по-
верхности и структурой доплеровского спектра рассеянного эха предоставляет теоретиче-
скую основу для оценки и сопоставления океанографических параметров с помощью КВ-
радаров. Основываясь на физической модели рассеивающего поля поверхности океана,
предложенной Барриком, доплеровский спектр морского эха в элементе разрешения кон-
кретной РЛС можно использовать для создания пространственно-ориентированных океа-
нографических баз данных. По этим данным аналитическими средствами оцениваются
характеристики поверхностных ветровых полей, связанные с волнением моря.
Ионосферные КВ РЛС и на поверхностных волнах использовались для оценки спек-
тра направленной высоты океанских волн и картографирования поверхностных ветров
по скорости и направлению. Системы на поверхностных волнах, как правило, считаются
более подходящими ионосферными системами для выделения океанографических параме-
тров. Первые системы относительно более восприимчивы к разнообразию ионосферных
явлений, в то время как охват последних ограничивается относительно короткими рас-
стояниями. Качество данных ионосферных ЗГ РЛС в значительной степени определяется
сложностью многолучевого распространения и «загрязнением» спектра сигналов ионо-
сферой. При измерении скорости течений в верхнем слое океана в ионосферном режиме
необходима также опорная нулевая частота (0 Гц) Доплера (например эхо от земли) для
отделения доплеровских сдвигов, внесенных ионосферой. Более подробную информацию
по применению КВ-радаров в дистанционном зондировании поверхности океана можно
найти в книге [Anderson, 1986] и в ее ссылках.
1.3. Основное уравнение КВ-радара
В настоящем разделе в целях лучшего понимания существенных различий между загори-
зонтными и микроволновыми радарами обсуждается каждое слагаемое в правой части
уравнения (1.3). Обратите внимание, что такая форма отношения сигнал/шум в уравнении
радара подходит для оценки показателей обнаружения цели в условиях ограниченных шумов.
Общепринятая форма уравнения радиолокации ЗГ РЛС включает в качестве аргумента
отношение сигнал/шум — ОСШ и для моностатической, однопозиционной (или квази-
моностатической) системы может быть представлена в виде уравнения (1.3) [Сколник,
2015]. Исходя из приведенных на рис. 1.13 определений элементов уравнения, можно отме-
тить, что уравнение ЗГ РЛС имеет математическую форму, аналогичную знакомой форме
уравнения (импульсно-доплеровской) СВЧ РЛС. Тем не менее между этими двумя типа-
ми РЛС есть существенные различия, которые заключаются в деталях области назначения
переменных и количественных показателей отдельных членов:
То есть в тех случаях, когда радиальная скорость цели приводит к росту доплеровского
сдвига настолько, что это достаточно для размещения эха цели в области доплеровской
частоты отдельно от шума, которой превосходит паразитные отражения.
В практических ситуациях версия уравнения радара (1.3) с ограничением шумами
непригодна для оценки эффективности обнаружения целей. В этом случае доплеровская
частота отражений от цели лежит в области спектра, в которой паразитные отражения пре-
вышают шум. В условиях ионосферного распространения со стабильной частотой сигнала
ЗГ РЛС паразитные отражения, как правило, превышают шум в относительно небольшой
полосе доплеровских частот (шириной в несколько герц и центром около нуля герц), ха-
рактерных для судов и воздушных целей, которые, как правило, обнаруживаются на фоне
мешающих, паразитных отражений и шума соответственно.
При неблагоприятных условиях распространения динамичные нарушения в ионосфе-
ре со скоростями в сотни километров в час могут создавать сильные рассеивающие по-
мехи с доплеровским расширением, которые ограничивают обнаружение движущихся
медленных и быстрых целей. В условиях преобладающих паразитных, мешающих помех
основным показателем эффективности обнаружения становится отношение сигнал/поме-
ха — ОСП (SCR — Signal-to-Clutter Ratio) и следует использовать альтернативную форму
уравнения радиолокации. Для удобства в этой главе будем ссылаться на уравнение (1.3),
а версия уравнения радиолокации КВ РЛС с ОСП обсуждается в 5 главе.
1.3.1. Наклонная дальность
Член R в формуле (1.3) относится к длине пути ионосферного сигнала в одну сторону
от РЛС до цели с отражением от ионосферы. Это расстояние известно как наклонная даль-
ность трассы прохождения сигнала, в отличие от расстояния, измеренного по поверхности
Земли. Помимо трудностей использования ионосферы в качестве среды распространения,
серьезные проблемы проектирования создаются при определении чистой длины (верти-
кальной) пути радиолокационного сигнала ЗГ РЛС. Конкретно уравнение (1.3) показыва-
ет, что ОСШ падает в четвертой степени от наклонной дальности R, а это приводит к очень
высоким потерям распространения, даже когда зона наблюдения ограничивается одним
пролетом — скачком (то есть те области, которые освещаются при одном отражении от ио-
носферы).
Это означает, что для увеличения длины траектории R (по сравнению с обычным рада-
ром прямой видимости) ЗГ РЛС из-за двустороннего распространения приобретает 40 дБ
потерь в соотношении сигнала и шума — ОСШ (SNR). Для обнаружения целей на более
дальних расстояниях ЗГ РЛС должна компенсировать эти дополнительные потери распро-
странения. Другими словами, 40 дБ дефицита в ОСШ по сравнению с РЛС прямой види-
мости должны компенсироваться за счет распределения запаса мощности ЗГ РЛС с учетом
других составляющих, которые входят в уравнение радиолокации и которые может изме-
нять разработчик. Как будет видно далее в этом разделе, именно такие соображения фор-
мируют технические и эксплуатационные характеристики систем ЗГ РЛС.
1.3.2. Передаваемая мощность
Средняя мощность Pave, излучаемая передающей системой ЗГ РЛС, может изменяться
от примерно 10 кВт до 1 МВт и выше. Этот большой диапазон объясняет причины такого
разнообразия конструкций систем, видов их назначения и требований к характеристикам.
Высокая мощность передачи улучшает ОСШ и, следовательно, чувствительность радара
в условиях, ограниченных действием шумов. На практике это главным образом повышает
эффективность обнаружения быстро движущихся воздушных целей, особенно с неболь-
шой эффективной отражающей площадью цели (или эффективной поверхностью рассея-
ния) — ЭПР (RCS — Radar Cross Section). В условиях, ограниченных действием мешаю-
щих, паразитных отражений, не ожидается, что увеличение Pave приводит к улучшению
возможностей обнаружения целей. Для медленно движущихся по поверхности целей
Pave может быть в принципе понижена без ущерба для показателей обнаружения до цели
(или эффективной поверхностью рассеяния), пока не будет достигнута точка, в которой
шум начинает доминировать над мешающими отражениями во всем пространстве обзора
скоростной цели. Высокая излучаемая мощность обычно дает наибольший положительный
эффект при обнаружении самолетов, особенно ночью, когда частоты и размер ЭПР цели
меньше, а атмосферный шум выше. Если медленные корабли, как правило, должны быть
обнаружены в условиях сильных мешающих отражений, то высокая мощность излучения
часто не играет существенной роли в улучшении показателей обнаружения таких целей.
Оперативные ЗГ РЛС, предназначенные в первую очередь для обнаружения и сопро-
вождения воздушных целей, как правило, излучают сигналы со средним уровнем мощно-
сти в диапазоне от 200 до 600 кВт. Заметим, что такие величины в 100 раз (20 дБ) больше
по сравнению с несколькими киловаттами средней мощности, используемой обычным ра-
даром управления воздушным трафиком ( ATC — Air Traffic Control). Согласно уравнению
(1.3) это обеспечивает выигрыш ОСШ 20 дБ относительно ЗГ РЛС, что (само по себе) не-
достаточно для компенсации 40 дБ потерь в ОСШ из-за двунаправленного распростране-
ния. Тем не менее большая мощность на передаче существенно сокращает дефицит ОСШ
в 40 дБ.
Когерентная последовательность одинаковых импульсов сигнала только с амплитуд-
ной, частотной или фазовой модуляцией может быть использована в работе ЗГ РЛС с со-
вмещенными системами приема и передачи. Несмотря на то что конфигурация моноста-
тической, однопозиционной РЛС предоставляет ряд эксплуатационных и экономических
преимуществ по сравнению с бистатической, двухпозиционной структурой, использова-
ние импульсных сигналов с низким коэффициентом заполнения способствует снижению
средней мощности, которая должна излучаться реальным передатчиком с конечной пико-
вой мощностью. Поэтому в некоторых радиолокационных системах ЗГ РЛС для повышения
их чувствительности при наличии шумов предпочтение было отдано непрерывным или
импульсным сигналам с единичным коэффициентом заполнения. Кроме оптимального
с точки зрения ОСШ использования ресурса на передаче, другие преимущества исполь-
зования ЗГ РЛС непрерывных сигналов, связанные с контролем внеполосных излучений,
будут представлены в главе 4.
Для эффективной работы ЗГ РЛС, как правило, требуется, чтобы во время единич-
ного рабочего цикла радиотракты передачи и приема сигналов были физически разделе-
ны. Выбор способа повышения ОСШ при использовании таких сигналов, в свою очередь,
приводит к бистатической (или квазимоностатической) структуре ЗГ РЛС. Данный аспект
структуры отличает большинство ЗГ РЛС от подавляющего большинства микроволновых
радаров. Расстояние между позициями около 100 км над сушей, как правило, обеспечи-
вает достаточную изоляцию между передатчиком и приемником ЗГ РЛС из-за сильного
затухания сигнала при его непосредственном распространении поверхностной волной от
точки передачи до точки приема. Такая конфигурация повышает чувствительность на фоне
шума, но это увеличивает стоимость и исключает четкую идентичность двустороннего рас-
пространения. При квазимоностатической конфигурации исходящие и входящие траек-
тории распространения радиолуча проходят через близко расположенные друг к другу об-
ласти отражения в ионосфере и часто могут рассматриваться как почти однопозиционная
конфигурация из-за малых бистатических углов (как правило, менее 5 градусов).
1.3.3. Усиление антенны
Коэффициент усиления антенн (на передачу или прием) ЗГ РЛС определяется произве-
дением коэффициентов усиления элемента и антенной решетки. Компоненты усиления
решетки связаны с шириной основного лепестка диаграммы направленности и, следова-
тельно, с пространственным (угловым) разрешением антенны. Более подробно характери-
стики антенн радиолокационной ЗГ РЛС обсуждаются в главе 3. В этом разделе рассмотрим
некоторые основные свойства ЗГ РЛС радиолокационных антенн в рамках уравнения (1.3),
отметив, что различные антенны используются для передачи и приема в бистатической,
двухпозиционной системе.
Для получения высокого коэффициента усиления и разрешения, сравнимого с обыч-
ными радиолокационными антеннами, ЗГ РЛС необходимы очень большие апертуры, так
как длины волн КВ-сигнала на три порядка больше волн на сверхвысоких частотах. Напри-
мер, апертура приемной антенны ЗГ РЛС может быть длиной до 3 километров, а это почти
в 1000 раз больше основного размера радиолокационной антенны микроволнового диа-
пазона обычного радара управления воздушным трафиком. Исходя из практических со-
ображений радиолокационные антенны ЗГ РЛС реализованы исключительно в виде фик-
сированных многоканальных антенных массивов — решеток из элементов проволочного
типа, которые позволяют синтезировать диаграмму направленности на передачу и прием
электронными средствами.
Обычно приемная антенная решетка ЗГ РЛС имеет очень широкую апертуру с элек-
тронным (одновременным) управлением, формируя множество «пальцев» — лучей с вы-
соким коэффициентом усиления и пространственным разрешением, позволяющим обна-
ружить цели в среде с ограниченным шумом и мешающими отражениями соответственно
и, кроме этого, повысить точность локализации цели при сопровождении.
В зависимости от рабочей частоты луч приемной антенны ЗГ РЛС в КВ-диапазоне мо-
жет иметь усиление Gr = 25–35 дБ и ширину (по уровню половинной мощности) главного
лепестка диаграммы направленности 0,2–2 градусов. Передающая антенна, как правило,
имеет более низкий коэффициент усиления порядка Gr = 15–25 дБ и более широкий луч
основного лепестка диаграммы шириной приблизительно 10–20 градусов. Относительно
низкий коэффициент усиления передающей антенны согласован с ОСШ для увеличения
зоны одновременного (мгновенного) наблюдения или дальности наблюдения, поскольку
чем шире луч, тем бо льшая область может быть одновременно освещена ЗГ РЛС с исполь-
зованием одной частоты на фиксированном временном интервале.
ЗГ РЛС на прием и передачу используют линейные антенны с апертурой, обеспечи-
вающей обзор до 90 градусов по азимуту. Обзор может расширяться до 180 или 360 градусов
с использованием нескольких линейных антенных решеток (ЛАР, ULA — Uniform Linear
Array) вращением направления пеленга или двухмерной расстановки на земле решетки
антенных элементов (например L-образной или У-образной антенны). Если нет возмож-
ности независимого управления лучом по углу места, то вертикальные размеры диаграмм
направленности передающей и приемной антенн должны быть относительно широкими.
Вертикальная диаграмма обеспечивает высокий коэффициент усиления при углах места
от почти скользящего до 40 градусов и, как правило, требуемую область наблюдения при
изменении состояний ионосферы.
Диаграммы излучения КВ-антенны существенно зависят от электрических свойств
подстилающей поверхности земли. Для стабилизации поверхностного импеданса и обе-
спечения реализации работы при малых углах места на земельных участках в основании
и в передней части передающей и приемной антенных систем обычно устанавливают экра-
ны. Для антенных систем с возможностью автономного управления диаграммой по углу
места вертикальная диаграмма направленности может формироваться электронным спо-
собом при более эффективном использовании излучаемой мощности с увеличением угла
места диаграммы при облучении области наблюдения. Это позволяет повысить чувстви-
тельность РЛС в таких специфичных условиях ионосферы, когда область наблюдения об-
лучается в сравнительно узком диапазоне углов места.
1.3.4. Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели
Основные размеры наблюдаемых объектов, таких как самолеты, ракеты, морские суда
и вездеходы, соизмеримы с длиной волны КВ-сигналов = 10–100 м. Следовательно, ЭПР
цели попадает в резонансную область рассеяния Рэлея ЗГ РЛС. С другой стороны, СВЧ-
сигналы имеют длину волны порядка сантиметров, что для обычных радиолокационных
систем означает видимость ЭПР одних и тех же целей в оптической области. Большой раз-
рыв между частотами сигнала приводит к принципиально разным характеристикам ЭПР
цели для ЗГ РЛС и СВЧ-радаров.
Например, ЭПР самых маленьких пилотируемых или беспилотных целей соизмеримы
с размерами ракет длиной 10 м и при работе ЗГ РЛС в нижней части КВ-диапазона ле-
жат в области рэлеевского рассеяния. В этой области с уменьшением частоты (примерно
до четвертой степени частоты) ЭПР цели резко падает и становится неразрешимой. И на-
против, если РЛС работает вблизи высокочастотной части КВ-диапазона, то ЭПР таких
целей имеет характеристики резонансной области. В области резонанса ЭПР цели может
увеличиваться или уменьшаться с приближением частоты к границам диапазона, а также
имеет бо льшую, чем в области Рэлея (но, как правило, выше в среднем), чувствительность
к геометрии обзора.
Приведем некоторые числовые показатели. Скалярный усредненный угол ЭПР само-
лета такого размера, как истребитель, на характерных для ЗГ РЛС рабочих частотах может
находиться в диапазоне = 10–20 дБм2 1. Большие самолеты, коммерческие авиалайнеры
могут иметь средние значения ЭПР, = 20–30 дБм2, а крупные со стальным корпусом оке-
анские суда могут иметь значения = 30–40 дБм2 или выше. За исключением упомянутых
ранее мельчайших техногенных целей, величина ЭПР для целей с характеристиками рас-
сеяния, которые попадают в резонансную область частот ЗГ РЛС, порой может быть боль-
ше, чем те, которые встречаются на одной и той же цели в режиме оптического рассеяния
на сверхвысоких частотах [Сколник, 2015].
1.3.5. Время интеграции
Доплеровская обработка выполняется в течение интервала времени облучения — T, кото-
рый также называется интервалом когерентной обработки — ИКО, равным периоду по-
вторения сигнала, умноженному на полное число импульсов. Интервал ИКО ЗГ РЛС, как
правило, изменяется от Т = 1–4 секунд для обнаружения самолетов и Т = 10–40 секунд или
более для обнаружения судов. Эти ИКО от 100 до 1000 раз больше, чем обычно исполь-
зующиеся в радиолокационных системах СВЧ, в которых время облучения, как правило,
измеряется десятками миллисекунд. В сравнении с микроволновой РЛС это дает ЗГ РЛС
дополнительный выигрыш от шума в 20–30 дБ. В сочетании с относительным выигрышем
20 дБ в средней мощности на передаче эти два фактора эффективно компенсируют дефи-
цит в 40 дБ, обусловленный потерями в тракте распространения ЗГ РЛС при работе на
большую дальность.
Стоит заметить, что ЗГ РЛС могут использовать такие длинные ИКО, не сталкиваясь
с проблемой низкой разрешающей способности по дальности или азимуту. Длинные интер-
валы времени облучения ЗГ РЛС также способствуют чрезвычайно высокой разрешающей
способности доплеровской частоты. Высокая доплеровская разрешающая способность
необходима для разделения эха медленно движущейся цели от мешающих, маскирующих
отражений от поверхности, особенно при обнаружении кораблей. Например, при самой
низкой разрешающей способности доплеровской частоты 0,1 Гц в режиме обзора поверх-
ности на несущей частоте 15 МГц обеспечивается радиальное разрешение скоростей 1 м/с
(3,6 км/ч или 1,9 узла). Такая же степень разрешения скорости может быть получена при
разрешающей способности доплеровской частоты 20 Гц (время обзора Т = 50 мс) на несу-
щей частоте 3 ГГц. Кроме этого, высокая доплеровская разрешающая способность нужна
ЗГ РЛС для того, чтобы сформировать независимые группы многолучевого распростране-
ния, которые возникают от разных целей в том же самом или аналогичном пространстве
ячейки разрешения, особенно в задачах авиационного обнаружения.
1.3.6. Общие потери
Общие потери L = LpLs в уравнении (1.3) включают в себя потери распространения Lp
и станционные потери Ls. При ограничении рассмотрения тракта с одним пролетом или
«скачком», то есть без отражения от поверхности Земли, потери ионосферного распро-
странения представляют результат двух основных процессов, известных как поглощение
с изменением траектории (поглощение в отклоняющем слое ионосферы — отклоняющее
поглощение) и поглощение без изменения траектории (неотклоняющее поглощение). По-
следний вид происходит преимущественно в слое D ионосферы на высоте около 60–90 км.
В слое D энергия падающей КВ-волны не отражается и несильно отклоняется, но при
этом частично поглощается из-за столкновения возбужденных распространяющейся
электромагнитной волной электронов с нейтральными молекулами воздуха. В диапазоне
КВ степень поглощения без изменения траектории с хорошей точностью обратно про-
порциональна квадрату рабочей частоты и, как правило, самая высокая в середине дня,
когда плотность ионизации в D-области достигает своего максимума. При нормальных
условиях (слой D в средних широтах) потери прохождения в обе стороны могут составлять
Lр = 3–6 дБ. На характерных для ЗГ РЛС рабочих частотах и при распространении с одним
скачком таких значений потерь можно ожидать при их усреднении за день.
Ночью в средних широтах слой D фактически исчезает и поглощение без изменения
траектории часто становится пренебрежимо малым. С другой стороны, поглощение с от-
клонением происходит, когда эквивалентная вертикальная составляющая частоты радио-
волны близка к критической частоте отражающего слоя. Этот тип поглощения и опреде-
ление этих частот рассматриваются в следующей главе. Нижний слой также может мешать
сигналам РЛС проходить в более высокие слои ионосферы и, следовательно, ограничивает
энергию сигналов, которые могут распространяться на большие расстояния. Это явление,
известное еще как «подушка», также обсуждается во 2 главе. При больших углах места
неотклоняющее поглощение имеет место и при прохождении Е-слоя (при отражении от
F-слоя).
Станционные потери в системе ЗГ РЛС аналогичны потерям в трактах аппаратуры
микроволновой РЛС. Они включают в себя потери в аналоговых частях приемной системы
(например антенны и блоки ВЧ-аппаратуры), а также потери цифровых этапов обработки
сигналов (например окна, используемые для контроля утечек спектра спектральных со-
ставляющих). Станционные потери могут быстро накапливаться до Ls = 9–12 дБ и более,
особенно на низких боковых лепестках частотной характеристики, используемой для сжа-
тия импульса, обработки Доплера и формирования диаграммы направленности антенной
решетки. Эту оценку потерь в станционной части системы можно добавить к оценкам по-
терь днем и ночью при распространении (за исключением поглощения с изменением тра-
ектории и подушки) и получить укрупненное, но типичное значение суммарных потерь L
от 9 до 18 дБ.
1.3.7. Постоянная распространения
Коэффициент потерь Fp объединяет в себе различные явления, наблюдаемые при распро-
странении волн и которые более основательно обсуждаются во 2 главе. Кратко этот член
объединяет в себе: (1) влияние эффекта Фарадея на потери рассогласования по поляриза-
ции (несоответствие между простыми и экстраординарными магнитоионными компонен-
тами), которые изменяют поляризацию сигнала во время двухстороннего ионосферного
тракта, (2) фокусировку и дефокусировку лучей, падающих под большими и малыми угла-
ми, а также интерференцию неразличимых из-за отражений в различных слоях атмосфе-
ры составляющих многолучевого распространения сигнала и (3) замирания, вызванные
флуктуацией неравномерности плотности электронов в слоях E и F ионосферы на высотах
100–600 км. При благоприятных условиях постоянная распространения может давать уси-
ление плотности энергии Fp = 3–6 дБ.
1.3.8. Шум окружающей среды
В уравнении ЗГ РЛС в спектральной плотности мощности шума No доминирует вклад внеш-
них источников, тогда как в радиолокационных системах СВЧ в No, как правило, преобла-
дает собственный (тепловой) шум в приемном тракте станции. Спектральная плотность
мощности внешнего фонового шума естественных источников, которая наблюдается в той
части спектра КВ-диапазона, которая не занята другими пользователями, часто превышает
уровень внутреннего шума приемника ЗГ РЛС на 10–30 дБ. В местах с низким уровнем
шума естественных источников среди атмосферных, как правило, доминируют фоновые
шумы в нижнем диапазоне ВЧ, а галактический шум, как правило, доминирует в верхней
части ВЧ-диапазона. Принципиальное различие между КВ и СВЧ РЛС заключается в том,
что величина No (и, следовательно, ОСШ) является функцией времени и существенно из-
меняется в течение суток и времени года, а также в зависимости от места расположения
приемника, значения частоты, азимута и угла места диаграммы направленности антенны.
Зависимость от азимута и угла места диаграммы можно наблюдать при крайне высокой на-
правленности приемной антенны ЗГ РЛС.
В отдаленных районах спектральная плотность фонового шума в незанятом частот-
ном канале в середине КВ-диапазона и в неизменных условиях на протяжении дня может
составить величину, примерно равную −185 дБВт/Гц. Непреднамеренное воздействие ис-
кусственного излучения электрического оборудования или внеполосное излучение других
пользователей в КВ-диапазоне неизбежно поднимает уровень фонового шума. Близость
приемной станции к населенным пунктам может поднять спектральную плотность «фо-
нового шума» более чем на 10 дБ в сельской местности и на 20 дБ и выше в жилых районах
по сравнению с уровнем шума удаленных районов. Это подчеркивает важность размеще-
ния приемника ЗГ РЛС подальше от городов и промышленных районов.
Важно отметить, что спектральная плотность внешнего шума, представленная чле-
ном No в уравнении радара, не совсем независима от усиления приемной антенны Gr. На-
помним, что коэффициент усиления приемной антенны выражается как Gr = Ge • Ga, где
Ge — усиление диаграммы направленности отдельного элемента антенной решетки (пред-
полагается одинаковым для всех элементов), а Ga — множитель решетки, обусловленный
электронным процессом управления направленностью луча. Так как диаграмма направ-
ленности отдельного элемента решетки достаточно широка, то она фактически одинаково
усиливает и сигналы, и шум, а это означает, что увеличение Ge (а следовательно, и Gr) ведет
к соответствующему увеличению No. Исходя из этого, пришли к выводу, что антенные эле-
менты, хорошо согласованные с рабочей частотой на прием, не дают никакого выигрыша
в ОСШ.
В случае пространственного распределения внешнего шума в виде «белого шума» этот
вывод явно оправданн. На практике единственная составляющая усиления приемной ан-
тенны, которая может увеличить ОСШ в уравнении радара, — это множитель решетки
(коэффициент установки), который зависит от числа элементов и их относительного раз-
мещения. Однако если внешний шум обладает достаточной пространственной структурой
и приемные элементы хорошо согласованы с рабочей частотой, то установочный коэффи-
циент может, в принципе, быть использован для снижения пространственного «цветного»
внешнего шума, принимаемого из других направлений, отличающихся от направления по-
лезного сигнала, до порогового уровня собственных шумов. Этот тонкий момент потен-
циально может привести к важным последствиям, связанным с улучшением ОСШ с по-
мощью лучшего подбора элементов приемной антенны.
1.3.9. Численный пример
В первом приближении вычисление ОСШ на выходе для конкретного случая ЗГ РЛС мо-
жет быть выполнено непосредственной подстановкой в уравнение (1.3) типичных число-
вых значений переменных. Уравнение (1.3) удобно представить в логарифмической форме
уравнения (1.4), в котором числовые значения всех членов выражены в логарифмических
единицах, то есть в децибелах. Полученное в итоге ОСШ не следует рассматривать в каче-
стве точного показателя реальной радиолокационной системы ЗГ РЛС, а только как про-
стое упражнение, которое на простом примере дает лишь общее представление о практи-
ческой реализуемости обнаружения цели:
Детальный анализ характеристик ОСШ нуждается в использовании сложных моделей
радио локационных систем, каналов распространения, рассеяния от целей и шума окру-
жающей среды. Такие модели должны одновременно учитывать все статистические свой-
ства всех членов уравнения ЗГ РЛС. Например, климатологические модели, опирающиеся
на эмпирические базы данных, могут быть использованы как информационные справоч-
ники по состоянию ионосферы, условиям окружающей среды и статистическим данным
шумов. Такой подход был использован [Root, Headrick, 1993], а также [Headrick, Root,
Thomason, 1995] для получения реалистичных оценок работы ЗГ РЛС, учитывающих осо-
бенности места их размещения.
Рассмотрим ЗГ РЛС со средней мощностью передачи Pave = 200 кВт (53 дБВт), работаю-
щую на несущей частоте fc = 20 МГц, при коэффициенте усиления передающей антенны
Gt = 20 дБ и коэффициенте усиления приемной антенны Gr = 30 дБ. Рабочая длина волны
= 15 м (2 = 24 дБм2). Предположим, что состояние ионосферы днем позволяет на этой
частоте облучать область, содержащую одну цель при наклонной дальности R = 3000 км
(R4 = 259 дБм4). Это соответствует расстоянию по земле около 2900 км при распростране-
нии с одним пролетом — скачком — и виртуальной высоте отражения hv = 300 км. Пред-
положим, что в зоне обзора присутствует истребитель, который имеет усредненную ЭПР,
равную = 15 дБм2, и что на интервале когерентной обработки (ИКО) его радиальная
скорость может считаться постоянной. Доплеровский сдвиг эха цели, как предполагается,
достаточно большой для того, чтобы дать хорошее разрешение на фоне мешающих отраже-
ний от поверхности ИКО, равной T = 1 сек. (T = 0 дБсек).
Чтобы было ясно, предположим, что обнаружению эха цели противодействуют воз-
мущения окружающей среды, которые после доплеровской обработки превышают внеш-
ний фоновый шум. Предполагается режим двустороннего распространения с выигрышем
от фокусировки Fp = 3 дБ, а потери в тракте распространения за счет поглощения Lp = 6 дБ.
Объединяя эти потери на трассе с потерями в системе Ls = 10 дБ, получим величину полных
потерь L = 16 дБ. Номинальное значение спектральной плотности мощности фонового
шума на входе приемника на протяжении полосы частот свободного канала около 20 МГц
можно принять равным No = −185 дБВт/Гц. Подставляя эти числовые значения в формулу
(1.4) и вычисляя, как показано в (1.5), получим значение ОСШ на выходе, равное 22 дБ.
А если прочитать, что на «обратной стороне открытки», то расчет показывает возмож-
ность обнаружения воздушной цели с использованием уровня порога принятия решения
на 15 дБ выше порогового уровня шумов, поддерживая при этом приемлемый уровень лож-
ных тревог:
S/N = {53 + 20 + 30 + 0 + 24 + 15 + 3} − {33 + 16 − 185 + 259} = 22 дБ. (1.5)
1.4. Номинальные возможности системы
Уравнение радара не дает информации о минимальном и максимальном диапазоне дей-
ствия радиолокатора ЗГ РЛС, о размерах одновременно освещаемой зоны DIR, размере
отдельных элементов (ячеек) разрешения в DIR или географической точности, с кото-
рой система может идентифицировать обнаруженные цели. Для полного понимания
номинальных возможностей загоризонтных радиолокационных систем необходимы коли-
чественные показатели упомянутых аспектов их работы. В данном разделе перечислены
основные факторы, которые ограничивают диапазон зоны наблюдения и размеры зоны
следа DIR, а также разрешающую способность и точность ЗГ РЛС.
1.4.1. Минимальное и максимальное расстояния
Способность ионосферы отражать ВЧ-радиоволны обратно на Землю зависит от ряда фак-
торов, основными из которых являются частота сигнала и угол, при котором волна сиг-
нала падает на ионосферу. Эта зависимость дальности распространения при отражении
от одного слоя ионосферы один раз (то есть за один скачок или один пролет) проиллю-
стрирована на рис. 1.14. На самом деле процесс сигнала отражения от ионосферы имеет
много тонкостей, не представленных на рис. 1.14, на котором только предпринята попытка
проиллюстрировать основную мысль. Более подробное описание ВЧ-сигнала отражения
от ионосферы представлено в главе 2.
На рис. 1.14а показано три луча — три сигнала с одинаковой частотой, но выпущенные
под разными углами возвышения (углами места) к горизонту. Лучи, выпущенные на боль-
ших углах места, возвращаются на Землю на малом удалении от передатчика, так как точ-
ки отражения расположены в более глубоких слоях ионосферы, в которых относительная
электронная плотность выше. Лучи, которые падают в ионосферу с углами больше неко-
торого (в зависимости от частоты) критического угла, практически не преломляются в на-
правлении Земли, проходят сквозь ионосферу и покидают ее по искривленной траектории.
В простом примере, показанном на рис. 1.14а, предполагается частота сигнала f1 выше мак-
симальной частоты, которую может отразить ионосфера при вертикальном падении (т. е.
на критической частоте слоя).
При работе на частоте выше критической и при стабильном состоянии ионосферного
отражения существует конечное минимальное расстояние от передатчика, ближе которого
лучи не могут возвратиться на Землю. Это минимальное расстояние по земле соответствует
лучу с углом возвышения 2 на рис. 1.14а и известно как skip-ray — ≪ проскок луча≫ (выше
которого не наблюдается отражения от ионосферы на данной частоте). При нормальном
ионосферном распространении расстояние меньше этой минимальной горизонтальной
дальности называют границей отсутствия облучения. Площадь на поверхности Земли, ко-
торая охватывает район, окружающий местоположение передатчика до границ отсутствия
облучения по всем направлениям, известна под названием ≪ мертвая зона≫. ЗГ РЛС не мо-
жет вести обзор внутри «мертвой» зоны потому, что плотность мощности сигналов, об-
лучающих этот регион, слишком мала для эффективной работы. Следует отметить, что по-
тенциально для обзора участков «мертвой» зоны могут быть использованы поверхностные
волны.
Дальность до границы «мертвой» зоны фактически определяет минимальную горизон-
тальную дальность наблюдения ЗГ РЛС. Дальность отсутствия облучения зависит от ча-
стоты сигнала и состояния ионосферы. В принципе, для обеспечения облучения поближе
к РЛС дальность можно сократить за счет снижения частоты сигнала. Однако на практике
использование частот вблизи нижнего края ВЧ-диапазона нежелательно, так как небла-
гоприятное сочетание различных факторов может привести к снижению эффективности
ЗГ РЛС на низких рабочих частотах1. Плотность мощности сигнала, отраженного на Землю,
как правило, достигает максимума непосредственно сразу за «мертвой» зоной. Если ОСШ
рассматривается как наиболее важный показатель, то желательно для обзора ЗГ РЛС ис-
пользовать области, лежащие недалеко от границы «мертвой» зоны.
У большинства ионосферных ЗГ РЛС для обеспечения приемлемой чувствительно-
сти обнаружения и точности регистрации координат граница «мертвой» зоны находится
обычно на расстоянии примерно 1000 км. Эта граница представляет собой номинальное
значение минимальной горизонтальной дальности системы и может браться за начало об-
ратного отсчета при определении места установки ЗГ РЛС в качестве ближайшей точки
предполагаемой зоны обзора. Такое ограничение на выбор площадки может представлять
серьезные проблемы для небольших по размеру стран, если только представляющая ин-
терес зона наблюдения не выходит далеко за государственные границы. Поскольку номи-
нальное значение минимальной горизонтальной дальности относится к номинальному
значению частоты в нижней части диапазона, которая ограничивает режим работы ЗГ РЛС
с непрерывным генерированием сигналов, то ее значение непостоянно и при изменении
условий распространения может доходить до сотен километров. В этом состоит отличие
от обычных микроволновых РЛС, у которых минимальная дальность чаще всего постоян-
ная и определяется длительностью излучаемого импульса, в течение которого приемник
должен оставаться закрытым.
Как показано на рис. 1.14б, при неизменном угле места с увеличением частоты сигнала
поднимается и высота отражающего слоя в ионосфере (в котором плотность электронов
больше). При этом точка отражения находится на значительной горизонтальной дально-
сти. На рис. 1.14б показано также, что при постоянном угле возвышения существует макси-
мальная частота, выше которой луч не будет отражаться при наклонном падении и, пройдя
сквозь ионосферу, исчезает в пространстве. Таким образом, максимальная горизонталь-
ная дальность ионосферного распространения с одним скачком определяется излучением
сигналов (с достаточным усилением) под самым низким углом места выхода луча антенны
и действующей высотой отражения в ионосфере, от которой эти лучи отражаются при мак-
симальной частоте, выше которой происходит проникновение.
Например, луч сигнала с углом места 5 градусов (направленность передающей ан-
тенны по отношению к плоскости Земли) после однократного отражения от ионосферы
на действующей (виртуальной) высоте 300 км возвращается на Землю на расстоянии око-
ло 3000 км. На практике максимальная горизонтальная дальность ионосферного распро-
странения с однократным отражением для сезонно-суточного изменения состояния ио-
носферы может изменяться на 1000 км и более. При условии, что передающая и приемная
антенны имеют достаточное усиление на низких углах места в 5 градусов, максимальная
горизонтальная дальность ЗГ РЛС номинально составляет около 3000 км.
Типовая дальность облучения ионосферной ЗГ РЛС имеет диапазон, заключенный,
как правило, между 1000 и 3000 км. В принципе при благоприятных условиях распростра-
нения максимальная граница, как правило, может быть расширена почти до 4000 км при
условии, что антенны имеют высокий коэффициент усиления при очень низких углах ме-
ста. С другой стороны, тип ЗГ РЛС, который позволяет использовать относительно низкие
рабочие частоты КВ-диапазона, потенциально позволяет сократить минимальный предел
диапазона, скажем, до 500 км. Тем не менее попытки увеличить зону облучения ЗГ РЛС
одним скачком за пределы типовых значений минимальных и максимальных границ часто
происходят за счет снижения качественных показателей.
Типовая зона облучения ЗГ РЛС охватывает 1000–3000 км, что соответствует ионо-
сферному распространению с помощью одного отражения от ионосферы (скачка) вблизи
средней точки траектории. Поверхность Земли рассеивает значительную часть падающей
энергии вперед после первого скачка. Это направленное вперед отражение может быть от-
ражено от ионосферы вторично и вернуться на Землю после двух скачков на расстоянии
6000 км или более. Этот процесс может повторяться, создавая процесс распространения
с множеством скачков. Распространение с несколькими скачками и другие экзотические
ионосферные режимы, которые будут описаны позже, позволяют КВ-сигналам распро-
страняться на чрезвычайно большие расстояния, в том числе по всему миру. Тем не менее
с каждым скачком двусторонний тракт распространения вносит большие потери и сильно
ослабляет сигнал. Многократное прохождение через ионосферу (в частности «солнечный»
слой D) и промежуточные отражения от Земли также сильно рассеивают энергию сигнала.
По этим соображениям ионосферные ЗГ РЛС, как правило, дают удовлетворительные ха-
рактеристики при ионосферном распространении с одним скачком при горизонтальной
дальности приблизительно от 1000 до 3000 км.
1.4.2. Зона выдержки интервала зондирования
На рис. 1.15 показаны веерные траектории ионосферного распространения КВ-сигналов,
излучаемых с постоянной частотой, но с изменением угла места, и поэтому лучи входят
в ионосферу под разными углами и взаимодействуют со слоями с различной плотностью
электронов. Траектории распространения различных сигналов были рассчитаны с ис-
пользованием разработанного DSTO программного обеспечения под названием PHaRLAP
[Cevera, 2010]. Сразу после «мертвой» зоны плотность мощности сигнала (интенсивность
облучения) резко возрастает и, как правило, именно в этой части достигает своего макси-
мального значения благодаря явлению, известному как «зона фокусировки». За отметкой
дальности с максимальной интенсивностью облучения плотность энергии сигнала, падаю-
щего на Землю, по мере увеличения дальности, как правило, монотонно убывает.
При большой дальности (далеко от края «мертвой» зоны) интенсивность облучения
слабеет и в конечном итоге становится слишком слабой для эффективной работы ЗГ РЛС;
а внутри «мертвой» зоны плотность мощности сигнала при нормальном состоянии ионо-
сферы почти полностью исчезает. Таким образом, для определенных частот существует
полезный интервал дальности, в котором плотность мощности сигнала отражается от по-
верхности Земли в объеме, достаточном для эффективной работы ЗГ РЛС. Этот интервал
определяет глубину по дальности области обзора, одновременно покрываемой лучом в об-
ласти наблюдения ЗГ РЛС. Напомним, что область обзора, одновременно покрываемая
лучом, упоминалась также как область наблюдения или «след» передатчика в номенкла-
туре ЗГ РЛС. Среди других факторов диапазон глубины зависит от состояния ионосферы,
рабочей частоты и усиления диаграмм направленности приемной и передающей антенн
на заданном угле места. На практике глубина расстояния обычно колеблется между 500
и 1000 км, хотя временами ионосфера может обеспечивать гораздо более широкий диапа-
зон расстояний, особенно в дневное время и для зондирования целей с большой ЭПР.
С другой стороны, размер поперечного сечения области наблюдения определяется ши-
риной основного лепестка передающей антенны по азимуту и однозначно увеличивается
пропорционально расстоянию. Во многих существующих системах основной лепесток диа-
граммы направленности луча передатчика ЗГ РЛС намеренно расширен с тем, чтобы вести
поиск в более широкой области, но в то же время поддерживая усиление, достаточное для
обнаружения цели в шумах. Лучи диаграмм направленности передающих антенн ЗГ РЛС
имеют номинальную ширину около 10 градусов по азимуту в зависимости от размера апер-
туры данной антенны, рабочей частоты и направления излучения. В результате области на-
блюдения имеют в поперечном сечении размер примерно 200–500 км и глубину облучения
1000–3000 км. В итоге зона DIR ЗГ РЛС может приблизительно составлять 500–1000 км
по горизонтальной дальности и 200–500 км по ширине поперечного сечения. Размеры
DIR определяют размер зоны обзора, в которой цели могут быть одновременно облучены
и, возможно, обнаружены загоризонтной РЛС с использованием одной частоты.
Мгновенная зона обзора может быть перемещена по общей области наблюдения
ЗГ РЛС с помощью электронного управления лучом передатчика по азимуту. ЗГ РЛС, ис-
пользующие апертуру одной линейной антенны на передачу (и прием), обычно обеспечи-
вают 90 градусов охвата по азимуту и 45 градусов от биссектрисы зоны наблюдения. В то
же время несущая частота радиолокационного сигнала может быть увеличена или умень-
шена, чтобы сместить область наблюдения соответственно дальше или ближе в пределах
минимальной и максимальной дальности обнаружения системы. Основываясь на указан-
ных выше номинальных размерах DIR, для наблюдения во всей зоне в диапазоне (1000–
3000 км) используют 2–4 передатчика с шагом мгновенных зон обзора по глубине рас-
стояний на 500–1000 км1, при этом границы зон DIR расположены вплотную друг к другу
по расстоянию. Для контроля сектора в 90 градусов по азимуту может потребоваться десять
или более лучей, при этом все главные лепестки диаграмм направленности должны быть
расположены вплотную друг к другу. Таким образом, для радиолокационного облучения
заданной области наблюдения ЗГ РЛС может потребовать 40 или больше DIR.
Поскольку РЛС требуется определенное время для когерентного накопления по каж-
дой мгновенной области наблюдения и для эффективного сопровождения возможного
маневрирования целей, необходимо достаточно быстро повторно просматривать эти ре-
гионы, поэтому РЛС одновременно могут отсканировать только ограниченное количе-
ство различных участков общей зоны наблюдения. Как следствие, одна ЗГ РЛС вообще
не может одновременно вести наблюдение по всей зоне наблюдения без ухудшения чув-
ствительности системы. Поэтому ЗГ РЛС работают по графику, выполняя одну или не-
сколько задач в ограниченном числе зон обзора, расположенных в выбранных областях
общей области наблюдения. График просмотра приоритетных областей предусматривает
чередование РЛС во времени и в порядке облучения, используя, в свою очередь, политику
сканирования, которая определяется требованиями к скорости повторного посещения об-
ласти, приоритетом каждой задачи или ее назначением.
1.4.3. Разрешение и точность
Зоны обзора DIR ЗГ РЛС, в свою очередь, состоят из множества ячеек разрешения,
которые разбивают мгновенную зону обзора по дальности и азимуту. Разрешающая
(групповая) способность по дальности R определяется по половине времени задерж-
ки, умноженной на скорость света в свободном пространстве с, известной формулой
R = с/2B, где B — ширина полосы зондирующего сигнала радара. В диапазоне КВ поло-
са частот, которая может успешно использоваться для работы РЛС ЗГ, ограничивается
в первую очередь загрузкой данной полосы другими пользователями, а это ограничивает
доступ к свободным каналам с относительно малой шириной, обычно не намного боль-
шей, чем 5–10 кГц ночью и 20–30 кГц в течение дня. Второе (физическое) ограничение
связано с частотной дисперсией ионосферы, которая резко снижает когерентное (устой-
чивое) ионосферное распространение в полосе пропускания больше примерно 100 кГц.
На практике ЗГ РЛС чаще всего можно использовать узкую полосу пропускания, по-
рядка 5–50 кГц. Поэтому разрешающая способность по дальности в ЗГ РЛС может ко-
лебаться от 3 до 30 км. Это, как правило, в 1000 раз хуже, чем разрешение по дальности
в обычной микроволновой РЛС.
Разрешение по азимуту изменяется обратно пропорционально длине апертуры
приемной антенны D, измеренной в длинах волн . Для линейной протяженности антенны
ширина классического луча диаграммы направленности по половинной мощности (−3 дБ),
направленной в пределах 45 градусов по азимуту от биссектрисы зоны наблюдения, мо-
жет быть аппроксимирована при = /D радианах. Например, линейная апертура длиной
3 км в полосе частот КВ обеспечивает разрешение от 0,2 до 2,0 градусов. Так, при средней
частоте в КВ-диапазоне fc = 15 МГц (= 20 м) для ЗГ РЛС, облучающей центр зоны наблю-
дения (R = 2000 км), 3-километровая апертура дает угловое разрешение l = r, приблизи-
тельно равное 15 км, что эквивалентно разрешению по дальности R = с/2B, характерному
для ЗГ РЛС с шириной полосы частот B = 10 кГц.
Как показано на рис. 1.16, такая комбинация апертуры и ширины полосы частот обе-
спечивает размеры ячейки разрешения ЗГ РЛС, которые имеют размеры на поверхности
Земли примерно 15 км в длину и 15 км в поперечном сечении при назначенной выше ра-
бочей частоте и горизонтальной дальности. В этом случае площадь каждой ячейки разре-
шения равна 225 миллионов квадратных метров. Такая очень большая площадь обратного
рассеяния и является одним из основных источников, создающих очень высокое превы-
шение, порядка 40–80 дБ, мощности помех над мощностью полезного сигнала. Чаще всего
эти ячейки не квадратные, а удлиненные в том или другом измерении в зависимости от от-
носительных величин разрешения по дальности и поперечному сечению. На рис. 1.16 по-
казан пример области обзора, одновременно покрываемой лучом ЗГ РЛС глубиной 900 км
(60 сечений по дальности) и шириной 300 км (20 сечений по азимуту), что дает в общей
сложности 1200 ячеек пространственного разрешения.
После того как цель обнаружена в определенной ячейке с известным азимутом и даль-
ностью, для определения местоположения цели требуется преобразование радиолока-
ционных координат в координаты географического положения. Из-за неоднозначности
прохождения КВ-сигналами ионосферы это преобразование далеко от прямолинейного
пересчета одних координат в другие. В режиме реального времени информация о состоя-
нии тракта распространения сигналов предоставляется вспомогательными датчиками.
Эта информация совместно с данными регистрационных таблиц координат и сведениями
о радиолокационной дальности и угле прихода сигнала на позицию ЗГ РЛС используется
для вычисления координат цели по широте и долготе. Больше на тему совмещения коорди-
нат будет сказано в главе 4.
Что касается точности ЗГ РЛС, то термин «точность» определяет то, насколько близко
обнаруженная цель (или точка отражения) находится к ее истинной позиции в географи-
ческих координатах. Если эхо цели регистрируется относительно идентифицируемых от-
ражений от известной опорной точки — ориентира или репера (KRP — Known Reference
Point), который находится в непосредственной близости от цели, и сигналы от цели
и репера принимаются одновременно одним и тем же радаром, то точность может быть
в пределах 5 км. В отсутствие репера диапазон абсолютной погрешности может составлять
около 10–20 км при условии, что в режиме реального времени доступна информация о те-
кущем состоянии и характеристиках канала распространения. Угловая погрешность, как
правило, менее 0,5 градуса, но при неблагоприятных условиях, особенно из-за наличия
рефракции и волноводного эффекта, вызванных возмущениями в ионосфере, может пре-
высить 1 градус.
Способность ЗГ РЛС обеспечить раннее предупреждение в дальней зоне наблюде-
ния обеспечивается, очевидно, за счет снижения пространственного разрешения и точ-
ности определения местоположения цели по сравнению с обычными микроволновыми
радарами. Несмотря на то что загоризонтные РЛС неспособны обеспечить детальную
информацию о позиции цели, их точность, как правило, достаточна для своевремен-
ной подачи команд на радары прямой видимости контролируемой цели. Это придает
особое значение возможностям координированного использования дополнительных
типов датчиков в интегрированных системах наблюдения, что может привести к более
эффективным результатам (и к более эффективному использованию информационных
ресурсов), чем в системах, рассчитанных на одиночное использование одного типа дат-
чиков. Номинальные характеристики и возможности гипотетической загоризонтной
ионо сферной РЛС, которая представляет действующие в настоящее время системы,
приведены в табл. 1.3.
ЧАСТЬ I. Основные прнципы
ГЛАВА 2
ИОНОСФЕРНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
При конструировании и эксплуатации загоризонтных радиолокационных станций
(ЗГ РЛС) необходимо алгоритмически отображать изменчивость характеристик ионосфе-
ры как среды распространения декаметровых (высокочастотных) радиоволн. Именно поэ-
тому в данной главе приведены основные справочные сведения, относящиеся к: 1) процес-
сам образования ионосферы, ее структуре и протекающим в ней динамическим явлениям;
2) описанию принципов распространения вертикально и наклонно падающих на нее де-
каметровых радиоволн при условии размещения на земной поверхности как передающей,
так и приемной антенн.
Данная глава не ставит своей целью дать полное описание свойств среды и механизмов
распространения в ионосфере декаметровых радиоволн. Подробную информацию по этим
вопросам заинтересованный читатель может легко почерпнуть из ряда надежных источ-
ников. Материалы главы скорее предназначены для читателя, приступающего к конструи-
рованию или эксплуатации ЗГ РЛС. Учитывая вышесказанное, основное внимание будет
обращено к кругу вопросов, характеризующих прямое влияние свойств среды на тактико-
технические характеристики (ТТХ) ЗГ РЛС. Именно это является главной целью главы 2.
Детальное рассмотрение физических и химических процессов в ионосфере, а также ма-
тематические методы построения траекторий декаметровых радиоволн в неоднородной
среде выходят за рамки данного материала. Исчерпывающие данные по результатам со-
ответствующих теоретических и экспериментальных исследований можно найти в ряде
опубликованных работ, в частности академических монографиях [Davies, 1990], [Budden,
1985a], [Ratcliff e, 1972] и [McNamara, 1991], а также в отличных книгах [Schunk и Nagy,
2009] и [Kelly, 2009] (часть этих материалов опубликована на русском языке; кроме того,
см. [Яковлев и др., 2009]). При изучении предмета может использоваться предлагаемый
в вышеупомянутых публикациях богатый аналитический материал.
Глава состоит из четырех разделов. Первый раздел представляет собой краткий исто-
рический экскурс по ранним экспериментальным исследованиям распространения радио-
волн, которые привели к открытию ионосферы. Затем идет описание процессов форми-
рования ионосферы и особенностей ее многослойной структуры. Выделяются основные
характеристики ионосферы применительно к работе ЗГ РЛС. Второй раздел посвящен
описанию пространственно-временной структуры ионосферы, для получения информа-
ции о которой используются в основном радиотехнические средства вертикального и на-
клонного зондирования (ионозонды ВЗ и НЗ). Здесь, в частности, уделяется особое внима-
ние динамическим процессам, протекающим в ионосфере, и их влиянию применительно
к задаче конструирования и эксплуатации ЗГ РЛС. Рассматриваются данные вертикально-
го зондирования ионосферы, позволяющие диагностировать возникновение возмущений
и магнитных бурь, которые могут оказывать сильное влияние на рабочие характеристики
радиотехнических систем КВ-диапазона.
Третий раздел посвящен вопросам наклонного отражения радиоволн от ионосферы,
имеющим существенное значение для работы ЗГ РЛС. Для заданных геофизических усло-
вий (ГФУ), определяющих параметры регулярных слоев ионосферы, рассматриваются
такие характеристики процесса распространения радиоволн, как рабочая частота, углы
места излучения и приема, дальность от места расположения ЗГ РЛС до заданной точки
пересечения траектории волны, отраженной от ионосферы с земной поверхностью.
В последнем, четвертом разделе рассматриваются вопросы многомодового (многолу-
чевого) распространения КВ-радиоволн, включая магнитоионное расщепление радиовол-
ны на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Далее дается описание различных
механизмов замирания (фединга) радиосигналов КВ-диапазона. Существующие модели
процессов замирания КВ-радиоволн рассматриваются во второй части данной книги,
включая экспериментальное обоснование.
2.1. ИОНОСФЕРА
Ионосферой называют область атмосферы Земли на высотах 60–600 км, содержащую ио-
низированный газ (плазму) естественной природы с концентрацией зарядов, достаточной
для влияния на распространение радиоволн КВ-диапазона. Плазма возникает в результате
воздействия электромагнитного излучения Солнца и высокоэнергетических частиц сол-
нечного ветра на нейтральные частицы атмосферы Земли. То есть происходит ионизация
нейтральных атомов и молекул, что приводит к образованию электронов и ионов. Следует
отметить, что наличие ионосферы характерно не только для Земли, но и для других планет,
удерживающих атмосферу из нейтральных газов под действием планетарной гравитации.
Образующаяся в результате ионизации плазма может участвовать и в других процес-
сах, включая химические реакции, диффузию, волновые возмущения и т. д. Определение
характеристик этих процессов в широком пространственно-временном интервале требует
применения результатов, полученных в таких научных дисциплинах, как физика плазмы,
химическая кинетика, механика текучих сред. Предлагаемое в этом разделе описание ио-
носферы и ее главных характеристик, влияющих на распространение КВ-сигнала, подает-
ся в достаточно простой манере, исключающей наличие специальной подготовки у читате-
ля (или с учетом неискушенности читателя).
Известно, что на распространение КВ-радиоволн в ионосфере главным образом ока-
зывают влияние свободные электроны. Количественной мерой этого влияния служит так
называемая концентрация электронов. Реакция свободных электронов на высокочастот-
ные колебания электромагнитной волны значительно сильнее, чем реакция более тяжелых
ионов. Доказано, что в широком спектре частот, от крайне низких (ELF — Extremely Low
Frequency) до очень высоких (ОВЧ), характеристики распространения радиоволн зависят
от распределения концентрации свободных электронов по высоте. Временная и простран-
ственная зависимости концентрации свободных электронов в ионосфере характеризуются
значительными и резкими вариациями. Описанию свойств ионосферы как среды распро-
странения КВ-сигналов посвящен представленный ниже материал.
Как уже отмечалось, наибольший интерес с точки зрения ионосферных ЗГ РЛС пред-
ставляет область ионосферы, находящаяся в интервале высот 60–600 км от земной по-
верхности. В этой области наиболее ярко выражены процессы поглощения, преломления
и отражения лучей КВ-сигналов. Преломление лучей КВ-сигналов обычно происходит
на высотах более 100 км, а за поглощение энергии радиоволн отвечает в основном область
ионосферы, находящаяся на высотах 60–120 км. Перед тем как приступить к более подроб-
ному изучению вопросов образования ионосферы, ее структуры и морфологии, представ-
ляется уместным получить сведения об исследованиях, связанных с открытием феномена
ионосферы и ее роли в работе ЗГ РЛС.
2.1.1. Исторический экскурс
Возможно, первым видимым человеческим глазом проявлением существования ионосфе-
ры стало северное полярное сияние (северное сияние) в верхних слоях атмосферы. По-
нятие северного сияния возникло с подачи Галилео Галилея приблизительно в 1621 году
[Eather, 1980]. А первое инструментальное наблюдение полярного сияния в южном полу-
шарии было зарегистрировано Джеймсом Куком в 1773 г. Первый исторически подтверж-
денный факт — формулировка гипотезы о существовании электропроводящего слоя в зем-
ной атмосфере, впоследствии получившей название ионосферы, датируется 1839 годом.
Именно тогда математик и физик Карл Гаусс предположил, что каждодневное наблюдение
малых регулярных и нерегулярных изменений магнитного поля Земли может быть объ-
яснено наличием в атмосфере электрических токов. Подтолкнуло Гаусса к такому выводу
наблюдавшееся им «загадочное» явление — северное сияние. Однако физическая приро-
да захватывающих воображение произвольно меняющих форму разноцветных всполохов
в ночном небе была установлена только ближе к концу девятнадцатого века.
2.1.1.1. Ранние радиоэксперименты
В период с 1864 по 1873 гг. шотландский физик-теоретик и математик Джеймс Клерк Мак-
свелл развивал элегантную теорию объединенного электромагнитного поля, ставшую
классической. Эта знаменитая работа широко признана в качестве одного из самых вели-
ких научных достижений, сравнимого по своей значимости с работами Исаака Ньютона
и Альберта Эйнштейна. Существование электромагнитных полей, предсказанных с по-
мощью уравнений Максвелла, было экспериментально подтверждено в 1887 г. немецким
физиком Генрихом Герцем — первым создателем аппаратуры возбуждения и регистрации
радиоволн. Десятилетием позже Гульельмо Маркони, молодому итальянскому изобретате-
лю, удалось на основе разрозненных знаний и технических возможностей своей эпохи раз-
работать и продемонстрировать первую беспроводную систему радиосвязи, получившую
впоследствии название телеграфа. С помощью этой системы в 1899 г. удалось реализовать
передачу кодированных сообщений через пролив Ла-Манш.
В своем наиболее знаменитом эксперименте 12 декабря 1901 г. Маркони обеспечил
трансатлантическую передачу радиосигнала на расстояние приблизительно в 3500 км —
между местечком Полдху, Корнуолл, Англия и г. Сэйнт-Джон, Ньюфаундленд, Канада.
Маркони услышал в наушнике щелчки буквы S по азбуке Морзе, принимая сигнал с по-
мощью проволочной 120 м антенны, удерживаемой в соответствующем положении с по-
мощью змейкового аэростата. Из работ Максвелла и Герца было известно, что радиоволны
распространяются по прямой, связывающей излучатель и приемник. Они отклоняются
от прямой только при встрече со средами, имеющими различные диэлектрические свой-
ства в поперечном направлении. Возможность беспроводной связи на расстоянии 3500 км
оказалась принципиальным техническим открытием. Поэтому неудивительно, что данное
событие вызвало огромный научный интерес к загадке распространения радиоволн на та-
кое огромное трансатлантическое расстояние.
2.1.1.2. Предлагавшиеся физические интерпретации
Поначалу казалось естественным предположение, что распространение радиоволны на та-
кое большое расстояние объясняется ее дифракцией (огибанием земной поверхности).
В связи с этим внимание некоторых физиков и математиков оказалось обращенным к на-
хождению решения уравнений Максвелла для задачи дифракции волн на сферической по-
верхности с конечной проводимостью. Первые попытки объяснения полученных Маркони
результатов основывались на схеме так называемых поверхностных радиоволн. При этом
значительная часть излучаемой энергии «растекается» вдоль выпуклой земной поверх-
ности. Толщина «потока» (канала) определяется высотой области, простирающейся вниз
от источника непосредственно до границы раздела воздушной среды с морской поверх-
ностью. Одними из самых первых авторов теории распространения поверхностных волн
были Дж. Зеннек, А. Зоммерфельд. Однако, согласно расчетным данным, дифракцион-
ный эффект, которым мог бы быть обусловлен этот механизм распространения, оказался
не в состоянии объяснить наблюдаемую большую мощность принимаемого радиосигнала.
На самом деле феномен распространения поверхностной волны представляет большой
прикладной интерес в области радиолокации на загоризонтных дальностях, но существен-
но меньших, чем в эксперименте Маркони. К этому вопросу вернемся в главе 5.
В 1902 г. независимые исследования Оливера Хэвисайда в Великобритании и Артура
Кеннелли в США привели к тому, что существование в верхней части атмосферы проводя-
щего слоя стали считать бесспорным фактом [Ratcliff , 1967]. Это произошло на следующий
год после постановки знаменитого эксперимента Маркони по трансатлантической пере-
даче сигнала. Согласно Кеннелли и Хэвисайду получалось, что проводящий слой харак-
теризуется наличием свободных электронов, чем обусловлено отражение радиоволн и их
прием за горизонтом. В результате происходит загоризонтное распространение радиоволн
в пространстве под ионосферой, вдоль выпуклой земной поверхности. Их представления
были в дальнейшем развиты физиком Экклсом, связавшим зависимость концентрации
ионизированных частиц от высоты (см. [Мас Namara, 1991]) с изменением направления
распространения волны. Экклс предполагал, что радиоволны, наклонно падающие на ио-
носферу, попадая в области с положительным вертикальным градиентом ионизации, бу-
дут отклоняться, приближаясь к горизонтальному направлению, в итоге распространяясь
с огибанием земной поверхности. Однако в ту пору не существовало прямых эксперимен-
тальных данных, которые могли бы подтвердить предположение об увеличении концентра-
ции заряженных частиц с увеличением высоты. Не существовало экспериментальных дан-
ных о наличии проводящего слоя. Ситуация изменилась более чем через два десятилетия
после провозглашения Хэвисайдом и Кеннелли концепции проводящего слоя.
В 1902 г. Маркони тщательно задокументировал эксперимент по ежедневному приему
передаваемых станцией Полдху радиосигналов, находясь на борту судна S. S. Philadelphia,
удаляющегося от Великобритании в западном направлении. В дневное время Маркони
смог получать сообщения на дальностях порядка 1000 км и вплоть до 3000 км — в ночное.
Маркони первым отметил, что средние и длинные радиоволны могут распространяться
гораздо дальше именно в ночное время. Возможно, что самая первая физическая теория
проводящего слоя появилась непосредственно после опубликования результатов этих на-
блюдений (см. [Lodge, 1902]), а также была предложена в независимой работе [J. E. Taylor,
1903]. Было выдвинуто предположение, что образование проводящего слоя обусловлено
ионизацией пространства в результате воздействия на верхнюю часть атмосферы ультра-
фиолетового солнечного излучения. Эффективность распространения радиоволн в зави-
симости от солнечного излучения была подтверждена позже.
2.1.1.3. Радиосвязь и радиовещание
В ходе ранних экспериментов выяснилось, что дальность распространения тем выше, чем
больше длина волны. Поэтому сначала стремились к созданию систем, работающих на ча-
стотах ниже КВ-диапазона. При этом беспроводный телеграф использовался по бо льшей
части для связи корабль — берег в диапазоне средних волн. Эта технология сыграла драма-
тическую роль при попытках спасти «Титаник» в 1912 г.
Маркони вернулся к экспериментам на более высоких частотах в 1915 г. Его возоб-
новленный интерес к КВ-диапазону был главным образом обусловлен возможностью ис-
пользования направленных антенн меньшего размера, способных фокусировать энергию
в более узкие пучки лучей. Позднее Маркони обнаружил, что КВ-радиоволны могут обе-
спечить устойчивую связь на тысячекилометровых дальностях при гораздо меньшей мощ-
ности передатчиков, чем сотни киловатт, необходимые при использовании более длинных
волн. В ходе дальнейших экспериментов он обнаружил, что при правильном выборе рабо-
чей частоты существует возможность установления радиосвязи с любой точкой мира почти
в любое время дня и ночи.
Этими наблюдениями ознаменовался переход от высокомощных систем НЧ-связи,
слишком дорогих для организации в крупные сети, к маломощным КВ-станциям с узким
главным лепестком диаграммы направленности. Такая система была внедрена в Импер-
скую сеть беспроводной связи в середине 1920-х годов, соединяя между собой Великобри-
танию, Австралию, Южную Америку и Индию. Подобные системы нуждались в операторах
высокой квалификации, использующих знания об условиях распространения радиоволн.
Также обострился вопрос, как избежать приема сигнала от других радиостанций в связи
с ростом их числа и соответствующей перегрузкой линий беспроводной связи. Для обеспе-
чения удовлетворительной работоспособности системы потребовалось наладить синхро-
низацию работы всех станций сети по частоте и времени. В 1927 г. английская радиовеща-
тельная система («Би-би-си») начала работу на всех территориях империи в КВ-диапазоне.
Маркони как главный идеолог и организатор, на которого пришлась основная часть работ,
стал лауреатом Нобелевской премии в 1909 г. Это был факт признания его вклада в раз-
работку беспроводного телеграфа. Помимо разнообразного наследия, оставшегося после
Маркони, нужно отметить центр экспериментальной радиоэлектроники в Торре Чиаручия
возле Санта-Маринелла, Италия. В этом центре Маркони проводил эксперименты по ра-
диопеленгации своего судна Elettra.
2.1.1.4. Открытие ионосферы
Л. Ф. Фуллер и Ли де Форест из Американской федеральной телеграфной компании в пери-
од между 1912 и 1914 гг. провели ряд экспериментов по распространению радиоволн на рас-
стояние 500 км, разделяющее Лос-Анджелес и Сан-Франциско. Передающее устройство
излучало радиосигнал на фиксированной частоте. На приемном устройстве наблюдалось
биение сигналов разных частот, которое трактовалось как интерференция между радиолу-
чом, отраженным от проводящего слоя, и прямым лучом поверхностного распространения.
Эффективная высота отражающего слоя была рассчитана на основании характеристик ин-
терференции и составила 99 км. Это оказалось первой оценкой высоты проводящего слоя,
концепцию которого выдвинули Хэвисайд и Кеннелли.
Еще одно косвенное подтверждение существования отражающего слоя в верхней
части атмосферы было получено в 1924 г. Эпплтоном и Барнеттом в ходе экспериментов
со сменой частоты. Зондирование производилось с помощью передатчика незатухающих
сигналов, расположенного в Борнмуте. При этом медленное изменение несущей частоты
использовалось таким образом, что характеристики замираний, обусловленные интер-
ференцией между поверхностной и отраженной от гипотетического слоя волнами, могли
быть измерены на станции рядом с Кембриджем. Путем сравнения мощностей сигналов,
одновременно принятых рамочной и вертикальной антеннами, Эпплтон и Барнетт под-
твердили существование отраженной пространственной волны, которую теперь принято
называть ионосферной. Высота слоя в 100 км была вычислена с помощью выражения для
разности длин пробега радиоволн и известного значения разноса между передатчиком
и приемником; см. [Appleton и Barnett, 1925].
Выяснилось, что высота отражающего слоя резко меняется ближе к закату Солнца.
На основании этого наблюдения зимой 1925 г. Эпплтон сделал заключение о слоистой
природе ионосферы. Ему же и обязаны общепринятой теперь классификацией различных
ионосферных слоев: E, F и D. Выбор подобной системы обозначений сэр Эдвард Эпплтон
разъяснил в своем письме от 20 марта 1943 г., переопубликованном в [Silberstein, 1959].
Эпплтон обозначил первый слой буквой E, признавая особую роль электрического поля
пространственной отраженной волны. Соответственно второму отражающему слою, на-
ходящемуся на бо льшей высоте, он присвоил букву F.
В 1925 г. Брейт и Тув провели независимое экспериментальное исследование на основе
методики почти вертикального зондирования, в ходе которого подтвердилось существова-
ние множественных отраженных пространственных волн. В частности, Брейт и Тув пока-
зали, что при вертикальном излучении короткого импульса в расположенном на удалении
нескольких километров приемнике регистрировался приход двух, а иногда и бо льшего числа
эхо-сигналов. Первый эхо-сигнал был связан с прямым распространением поверхностной
волны, а последующие — за счет отражения радиолуча от ионосферных слоев. Этот метод
обеспечил возможность отличать волны, отраженные ионосферой, от волн прямого по-
верхностного распространения. Классификационными параметрами волн были задержки
по времени импульсных сигналов. Это были первые прямые измерения высоты ионосфер-
ных слоев, в отличие от косвенных, основанных на анализе явления интерференции.
Метод импульсного зондирования может считаться самой ранней формой примене-
ния радиолокации, получивший широкое распространение в качестве главного метода
исследования структуры и динамики ионосферы. Так как изначально предполагалось, что
отражающие слои состоят из электрически заряженных частиц — так называемых ионов,
то прижилось название ионосферы. Подробная история возникновения термина «ионо-
сфера» изложена в работе [Gillmor, 1998]. Термин «ионосфера» был впервые использован
Робертом Уотсоном-Уоттом, как оказалось в дальнейшем, первым разработчиком РЛС.
Это было в письме, адресованном в 1926 г. научно-исследовательской комиссии Велико-
британии. Первое официальное появление этого термина в литературе произошло несколь-
кими годами позднее, см. [Watson-Watt, 1929]. В 1927 г. Сидни Чепменом была разработана
физическая теория, описывающая структуру ионосферных слоев. К этому времени физика
ионосферы выделилась в отдельное научное направление. На ее развитие оказал большое
влияние Эпплтон (см. рис. 2.1б), получивший в 1947 г. Нобелевскую премию за вклад, сде-
ланный в развитие теории ионосферы [Clark, 1971].
2.1.1.5. Послевоенные годы
Несмотря на отсутствие полного понимания физики и химии ионосферы, к началу вто-
рой мировой войны многие свойства формирования, структуры и динамики ионосферы
уже были описаны [Green, 1946]. Война дала сильный толчок развитию технологий радио-
связи и радиолокации. Огромное расширение работ по зондированию ионосферы в эти
годы было продиктовано необходимостью прогнозирования условий распространения
радиоволн в разных частях мира. Это соответствовало научным задачам, которые были по-
ставлены перед первыми станциями ионосферного зондирования, которые заключались
в выявлении причин возникновения и характеристик различных ионосферных слоев. Со-
бираемые в военное время данные об ионосфере использовались почти исключительно
в практических целях, и только очень малое число исследований проводилось в целях вы-
яснения геофизической природы ионосферы.
Важный шаг в направлении накопления и систематизации глобальных ионосферных
данных был сделан в рамках программы геофизических исследований, действовавшей в пе-
риод с 1957 по 1958 гг. ( Так называемый МГГ — международный геофизический год, IGY —
International Geophysical Year, год, который длился восемнадцать месяцев.) Помимо дан-
ных, собираемых наземными станциями, для проведения инструментальных измерений
устанавливалась соответствующая аппаратура на ракетах и спутниках, позволявшая полу-
чать данные о плотности, составе, температуре, электрических/магнитных полях и прочих
характеристиках ионосферы. Возобновленный интерес научного сообщества к подобным
данным в послевоенные годы привел к выработке более глубокого понимания физических
и химических процессов, протекающих в ионосфере.
Использование ионосферы, помимо решения традиционных задач дальней двух-
сторонней коротковолновой связи и вещания, осуществлялось в системах двойного на-
значения (военного и гражданского). Речь идет о системах определения координат КВ-
передатчиков за счет разнесенного приема сигналов двумя или бо льшим числом приемных
станций. По сравнению с существовавшими КВ-системами связи системам пеленгации
требовалось бoльшее количество данных о состоянии ионосферы, получаемых в реаль-
ном масштабе времени (в процессе проведения измерений). С появлением в конце 1950-х
ЗГ РЛС, предназначенных для контроля состояния морской поверхности, требования
к скорости получения данных о состоянии ионосферы в реальном масштабе времени стали
ужесточаться.
2.1.2. Образование ионосферы и ее структура
Как сказано выше, образование ионосферы связано с ионизацией нейтральных молекул
и атомов в верхней части земной атмосферы под воздействие солнечного электромагнит-
ного излучения и заряженных частиц солнечного ветра. В результате такого воздействия
появляется электронно-ионный газ. Он представляет собой слабо ионизированную плазму,
максимальная концентрация заряженных частиц в которой обычно составляет менее 1 %.
Можно утверждать (с минимальной погрешностью), что ионосфера обладает свойством
квазинейтральности, поскольку появление и рекомбинация свободных электронов и по-
ложительных ионов происходят одновременно.
Способность ионосферы к отражению КВ-радиоволн обусловлена наличием сво-
бодных электронов. А их концентрация, в свою очередь, зависит от физико-химических
процессов, которыми, повторимся, обусловлены появление, исчезновение и перенос сво-
бодных электронов. Следовательно, успешная эксплуатация ЗГ РЛС ионосферной волны
в значительной мере зависит от знания характеристик вышеупомянутых процессов. Та-
ким образом, следует приступить к изучению основных схем образования, исчезновения,
структуры и переноса заряженных частиц ионосферы.
2.1.2.1. Процессы, отвечающие за образование ионосферы
Возникновение ионосферы связано с ионизацией нейтральных атомов и молекул и появле-
нием свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс передачи фото-
ном своей энергии hэлектрону, в результате которого происходит ионизация нейтрально-
го атома или молекулы P с образованием пары — свободного электрона e− и положительно
заряженного иона P+, называется фотоизонизацией. Процесс символически представлен
выражением (2.1), где h постоянная Планка, — частота фотона:
уравнение (2.1) см. в книге
В наиболее важных реакциях, протекающих на более низких высотах, участвуют молеку-
лярный азот N2, молекулярных кислород O2 и одновалентный оксид азота NO. А на бо льших
высотах главную роль играют атомарный кислород O и водород H. Следует отметить, что
ионизация молекулярных и атомных частиц разного химического состава может проис-
ходить при воздействии фотонов с определенной частотой. Выяснено, что длины волн
фотонов, излучаемых Солнцем и участвующих в реакциях фотоионизации, соответствуют
спектральным линиям и непрерывному излучению в коротковолновой ультрафиолетовой
(КУФ, EUV — Extreme Ultra-Violet, коротковолновое ультрафиолетовое излучение) и рент-
геновской областях электромагнитного спектра.
Скорость образования электронов, связанная с реакцией фотоионизации определен-
ного типа, пропорциональна как интенсивности ионизирующего излучения, так и плот-
ности ионизируемых химических частиц. Следовательно, скорость образования с учетом
всех реакций фотоионизации зависит не только от интенсивности солнечного излучения
во всем спектре длин волн, но и от концентрации нейтральных частиц в атмосфере, имею-
щих разный химический состав. Так как интенсивность ионизирующего излучения и кон-
центрация изменяются по высоте, скорость образования также зависит от высоты.
В исходном виде теория Чепмена описывает скорость ионизации в слоистой атмосфе-
ре отдельного компонента изотермического газа за счет поглощения параллельного пуч-
ка солнечного монохроматического излучения. Как было показано в работе [Matsushita
и Campbell, 1967], для получения формулы скорости ионизации многокомпонентной
атмосферы во всем спектре частот солнечного излучения вышеупомянутые упрощения
не используются. Однако это связано с усложнением уравнений, что затрудняет понима-
ние пути решения главной задачи, которая заключается в изучении основных принципов
теории Чепмена.
Используем гидростатическое уравнение для вертикального распределения давления
идеального газа под воздействием гравитации. При этом можно показать, что плотность
атмосферы (плотность нейтральных частиц) на высоте h от земной поверхности в формуле
(2.2) определяется через . Здесь 0 — плотность нейтрального газа на земной поверхности
(h = 0). Hp = KT/mg — давление по шкале высот, зависящее от массы частицы m, абсолют-
ной температуры T, постоянной Больцмана K и ускорения свободного падения g.
уравнение (2.2) см. в книге
Обозначим символом Iплотность потока падающего солнечного излучения (интенсив-
ность излучения). Эта величина выражается через количество фотонов на единичную пло-
щадь, входящих в атмосферу под углом к вертикальной оси — так называемым зенитным
углом. По мере прохождения лучей через атмосферу интенсивность излучения Iпадает
за счет поглощения и, соответственно, становится функций высоты I(h). Дифференциал
интенсивности излучения dI(h) по высоте определяется приводимой ниже формулой (2.3).
В ней — удельный коэффициент поглощения, называемый также вертикальным сечени-
ем атмосферы.
уравнение (2.3) см. в книге
Подстановка выражения (2.2) в уравнение (2.3) c последующим интегрированием по высо-
те h приводит к формуле (2.4) для вертикального профиля интенсивности излучения I(h).
В формуле (2.4) приняты обозначения: приведенная высота z = (h − h0)/Hp и эталонная вы-
сота
уравнение (2.4) см. в книге
Следует учесть, что скорость образования свободных электронов q на заданной высоте
пропорциональна скорости поглощения на этой высоте. Поэтому можно определить, что
q = cos dI(h)/dh, где — число электронно-ионных пар, выбиваемых одним фотоном.
Продифференцировав выражение (2.4), получаем, что скорость образования пар являет-
ся функцией q(z, x) в приводимом ниже выражении (2.5), где q0 = I/Hpe — константа,
уравнение (2.5) см. в книге
Это соотношение называется функцией или формулой Чепмена. Оно выражает скорость
ионизации q(z, ) как функцию приведенной высоты z, зенитного угла и константы q0.
Степень ионизации будет максимальной на такой высоте, которой соответствует наивыс-
шее значение произведения интенсивности излучения и плотности нейтрального газа.
Интенсивность излучения снижается с высотой из-за поглощения, а плотность нейтраль-
ного газа уменьшается на бо льших высотах из-за гравитации (барометрическая формула).
В результате двух противоборствующих эффектов максимум ионизации приходится на не-
которой промежуточной высоте. Можно убедиться, что характеристикой формирования
ионосферного слоя служит максимальная концентрация свободных электронов на данной
промежуточной высоте.
Продифференцировав уравнение (2.5), можно получить, что высота hm, на которой
происходит образование максимального количества электронов, определяется приво-
димой ниже формулой (2.6). Отметим, что эталонная (опорная) высота h0 соответствует
максимальной концентрации электронов, когда Солнце находится в зените (= 0). Мак-
симальное значение концентрации электронов на высоте hm в формуле (2.6) обозначено величиной qm. Отметим, что q0 представляет собой максимальную концентрацию электронов
при зенитном солнечном излучении.
уравнение (2.6) см. в книге
Изменение плотности потока солнечного излучения Iвлияет на максимальное значение
ионизации, но не на ее высоту. Изменение зенитного угла влияет как на максимальное зна-
чение ионизации, так и на ее высоту. Процесс фотоионизации происходит исключительно
в дневное время, когда Солнце освещает атмосферу. Однако фотоионизация — не един-
ственный процесс, отвечающий за возникновение свободных электронов. Иной механизм
образования свободных электронов реализуется при «бомбардировке» нейтральных частиц
в атмосфере потоком заряженных частиц от Солнца. Столкновения между энергичными
частицами, переносимыми через межпланетное пространство солнечным ветром, и ней-
тральными частицами земной атмосферы могут также привести к образованию свободных
электронов и положительно заряженных ионов. Такой процесс получил название ударной
ионизации.