eng
Содержание
Предисловие ко второму изданию 8
Введение 9
Глава 1. Общие сведения о радиолокации 11
1.1.
Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 11
1.2.
Отличительные особенности функционирования
радиолокационных систем 24
1.3.
Типовая структура радиолокационной системы 27
Литература 30
Глава 2. Физические основы радиолокации 32
2.1.
Основные закономерности распространения радиоволн,
используемые в радиолокации при обнаружении целей
и измерении их координат 34
2.2.
Методы измерения координат и параметров движения целей 46
2.2.1.
Методы измерения расстояний 46
2.2.2.
Методы измерения угловых координат 53
2.2.3.
Измерение относительной скорости движения цели 65
Литература 68
Глава 3. Объекты радиолокационного наблюдения 69
3.1.
Особенности отражения радиоволн объектами радиолокационного
наблюдения 69
3.2.
Типы радиолокационных целей 72
3.3.
Эффективная поверхность отражения (рассеяния)
радиолокационных целей 76
3.4.
Радиолокационная заметность целей и пути ее снижения 81
Литература 87
Глава 4. Обнаружение объектов 88
4.1.
Основное содержание задачи обнаружения
радиолокационных целей 88
4.2.
Устройства обработки радиолокационного сигнала,
решающие задачу обнаружения наблюдаемых целей 93
4.3.
Определение основных показателей обнаружения
радиолокационных целей 101
4.4.
Характеристики обнаружения радиолокационных устройств
обнаружения 105
Литература 108
Глава 5. Разрешение объектов радиолокационного наблюдения 109
5.1.
Что такое разрешающая способность радиолокационной системы
и как она определяется 109
4
Содержание
5.2.
Оценка показателей разрешающей способности радиолокационной
системы 116
5.2.1.
Связь разрешающей способности РЛС по шкале дальности
с параметрами зондирующего сигнала 116
5.2.2.
Связь разрешающей способности РЛС по шкале скорости
с параметрами зондирующего сигнала 123
5.2.3.
Связь разрешающей способности РЛС по угловым координатам
с параметрами ее антенной системы 126
5.3.
Реальная разрешающая способность радиолокационной системы 129
Литература 131
Глава 6. Точность измерения координат объектов наблюдения 132
6.1.
Извлечение информации о координатах и параметрах движения
наблюдаемых объектов 132
6.2.
Влияние помех на процесс оценивания параметров принимаемых
радиолокационных сигналов 134
6.3.
Взаимосвязь точности измерения координат и параметров
движения целей с характеристиками и параметрами РЛС 138
6.4.
Устройства, обеспечивающие формирование оценки параметров
радиолокационного сигнала 144
6.5.
Основные этапы решения задачи фильтрации параметров
радиолокационного сигнала 148
Литература 151
Глава 7. Радиолокационные сигналы и их формирование 152
7.1.
Описание радиолокационных сигналов 152
7.2.
Принципы формирования зондирующих сигналов 167
7.3.
Особенности конструктивного исполнения генераторов
и усилителей СВЧ-диапазона 173
7.4.
Формирование требуемой структуры зондирующих сигналов 178
Литература 183
Глава 8. Преобразование радиолокационных сигналов в радиоволну.
Радиолокационный сигнал как электромагнитная волна 184
8.1.
Физические основы преобразования радиолокационных сигналов
в электромагнитную волну 184
8.2.
Поляризационные свойства электромагнитных волн 191
8.3.
Типы антенных устройств РЛС 193
8.4.
Основные характеристики антенных устройств радиолокационных
систем 205
8.5.
Антенные системы современных и перспективных РЛС 211
Литература 214
Глава 9. Прием и обработка радиолокационных сигналов 216
9.1.
Выделение полезной информации из радиолокационного сигнала 216
Содержание 5
9.1.1.
Радиолокационный приемник как основной элемент выделения
полезной информации 217
9.1.2.
Типы радиолокационных приемников 219
9.2.
Основное содержание процедуры обработки радиолокационного
сигнала 223
9.3.
Характеристики и параметры радиолокационных приемников 224
9.4.
Особенности некогерентной и когерентной обработки
радиолокационных сигналов 228
Литература 231
Глава 10. Цифровая обработка радиолокационных сигналов 232
10.1.
Общие сведения о цифровой обработке радиолокационных
сигналов 232
10.1.1.
Способы реализации цифровой обработки радиолокационных
сигналов 234
10.1.2.
Достоинства и недостатки цифровой обработки 237
10.2.
Особенности преобразования радиолокационного сигнала
в цифровой вид 241
10.3.
Выделение полезной информации из цифрового сигнала 244
10.4.
Что такое цифровой фильтр? 251
10.5.
Типы цифровых радиолокационных приемников 252
Литература 256
Глава 11. Обработка радиолокационных сигналов, отраженных от подвижных
объектов 257
11.1.
Особенности радиолокационного наблюдения подвижных
объектов 257
11.2.
Выделение информации о движении цели 261
11.3.
Варианты построения когерентно-импульсных РЛС,
обеспечивающих выделение сигналов движущихся целей 266
11.4.
Селекция движущихся целей с помощью устройств
череспериодной компенсации 271
11.5.
Фильтровые системы селекции движущихся целей 277
Литература 279
Глава 12. Обобщенная структура радиолокационной системы 280
12.1.
Особенности структуры построения приемо-передающих трактов
когерентных и некогерентных РЛС 280
12.2.
Система обработки радиолокационного сигнала типового
радиолокатора 291
12.3.
Представление получаемой информации о целях в современных
радиолокаторах 293
Литература 301
Глава 13. Радиолокационные системы управления воздушным движением 302
13.1.
Что такое системы управления воздушным движением? 302
6
Содержание
13.2.
Состав радиолокационного оборудования системы управления
воздушным движением 304
13.3.
Требования, предъявляемые к радиолокационным системам
управления воздушным движением 307
13.4.
Радиолокационные системы управления воздушным движением 312
Литература 340
Глава 14. Наземные и корабельные РЛС 341
14.1.
Типы наземных и корабельных радиолокационных систем 341
14.2.
Особенности решения задачи мониторинга воздушно-
космического пространства 343
14.3.
Наблюдение радиолокационных целей, скрытых за горизонтом 346
14.4.
Общие принципы построения и функционирования
надгоризонтных РЛС 348
Литература 372
Глава 15. Бортовые авиационные радиолокационные системы мониторинга
воздушного пространства 373
15.1.
Особенности функционирования бортовых авиационных
радиолокационных систем 373
15.2.
Перехват воздушных целей как процедура обнаружения объектов
наблюдения и измерения их координат 375
15.3.
Основные задачи и характеристики бортовых авиационных
радиолокационных систем комплексов перехвата 379
15.4.
Общие тенденции построения бортовых РЛС комплексов
перехвата и прицеливания 386
15.5.
Решение задачи обнаружения воздушных целей,
наблюдаемых на фоне мешающих отражений,
бортовой РЛС авиационного носителя 390
15.6.
Структура бортовой РЛС комплекса перехвата 410
Литература 414
Глава 16. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земной
поверхности 416
16.1.
Типы радиолокационных систем дистанционного зондирования
земли и особенности их работы 416
16.2.
Обработка радиолокационного сигнала при формировании
радиолокационного изображения наблюдаемой поверхности
в режиме реального луча 423
16.3.
Повышение разрешающей способности РЛС обзора земли
в азимутальной плоскости на основе принципа синтезирования
апертуры антенны 426
16.4.
Обработка пространственно-временного сигнала
в радиолокационной системе с режимом синтезирования
апертуры антенны 431
Содержание 7
16.5.
Формирование радиолокационного изображения участка
наблюдаемой поверхности в режимах синтезирования апертуры
антенны 438
16.6.
Разрешающая способность РЛС с режимом синтезирования
апертуры антенны 443
16.7.
Выделение движущихся наземных целей и структура построения
современной РЛС с режимом синтезирования апертуры антенны 446
Литература 450
Глава 17. Метеорологические радиолокационные системы 451
17.1.
Особенности функционирования метеорологических
радиолокационных систем 451
17.2.
Характерные особенности метеорологических объектов
радиолокационного наблюдения 456
17.3.
Типы метеорологических радиолокаторов 459
Литература 464
Глава 18. Другие области применения радиолокационных систем 466
18.1.
Дистанционная диагностика состояния организма человека 467
18.2.
Области применения биорадиолокации 471
18.3.
Активные и пассивные радиолокационные системы в текущей
жизни человека 473
Литература 489
Глава 19. Радиолокационные фотонные системы 490
19.1.
Общие сведения о фотонике 490
19.2.
Недостатки электронных технологий 491
19.3.
Особенности применения оптических технологий
в радиолокационных системах 493
19.4.
Структурная схема полностью оптической радиофотонной РЛС 495
19.5.
Основные элементы радиофотонной РЛС 500
Литература 510
Глава 20. История развития радиолокации 511
Заключение 543
Послесловие ко второму изданию 544
К читателю 545
Послесловие. Профессор В. С. Верба 546
Сведения об авторах 549
Список сокращений 550
Предметный указатель 552
Ïðåäèñëîâèå êî âòîðîìó èçäàíèþ
Уважаемый читатель, в Ваших руках находится научно-популярная книга «Ра-
диолокация для всех», с которой после ее первого издания успела познакомить-
ся довольно широкая аудитория. Данная книга ориентирована в первую очередь
на людей, которых интересуют научные знания как таковые, а также на молодое
поколение читателей, делающих свои первые профессиональные шаги. Автор-
ский коллектив книги в доступной форме («просто о сложном») изложил совре-
менные знания о радиолокации, в которые вошли:
теоретические основы радиолокации, по • зволяющие понять, как можно
получить информацию о координатах и параметрах движения наблюда-
емых объектов и определить их пространственное положение;
• принципы построения радиолокационных систем, показывающие, как
формируются и обрабатываются радиолокационные сигналы для того,
чтобы извлечь информацию о наблюдаемых объектах;
• конкретные типы радиолокационных систем, которые применяются
при решении как народно-хозяйственных задач, так и задач в военной
сфере.
Во вторую редакцию книги включены две новые главы. Одна из них посвя-
щена соединению двух областей знаний – радиолокации и фотоники. В данной
главе демонстрируется перспективное направление развития радиолокации,
в рамках которого использование положительных свойств фотоники позволяет
получить информационную систему совершенно нового уровня, обеспечиваю-
щую решение задач радиовидения.
Не менее интересна глава, посвященная истории возникновения и разви-
тия радиолокации. При этом исторические материалы рассматриваются приме-
нительно не только по отношению к нашей стране, но и к зарубежным странам.
Изложенный материал позволяет увидеть, как делались первые шаги в области
радиолокации, и узнать об основных этапах ее развития.
Надеемся, что новая редакция научно-популярной книги будет интересна
широкому кругу читателей. Ждем Ваших замечаний и предложений, направ-
ленных на улучшение содержания и качества книги.
С уважением,
член-корреспондент РАН,
доктор технических наук,
профессор В. Верба
Ââåäåíèå
Данная книга посвящена сравнительно молодой и интересной отрасли на-
уки и техники — радиолокации. Первые упоминания о возможности использо-
вания радиоволн для обнаружения различных объектов относятся к концу 90-х
годов XIX столетия. Однако серьезные исследования в данной области, направ-
ленные на создание практических радиолокационных устройств, начались су-
щественно позже — в конце 20-х — начале 30-х годов XX столетия.
Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была на-
целена на решение военных задач — обнаружение объектов противника (целей),
измерение их координат и параметров движения для последующего своевре-
менного уничтожения данных объектов.
Однако в современных условиях без помощи радиолокации человек не мо-
жет, обходиться в своей повседневной жизни. Только помощь радиолокации,
может не столь очевидна для окружающих, как помощь, например, мобильной
связи или спутниковой навигации, поэтому о ней говорят, главным образом,
только специалисты.
Никто из тех, кто хоть раз летал самолетом в командировку или на отдых,
не задумывался, что обеспечение безопасности полета самолета в существен-
ной степени зависит от работы наземных радиолокационных систем, которые
контролируют его движение на трассе, при подходе к аэропорту, в районе аэро-
порта, при посадке самолета и его движении по летному полю.
Прогноз погоды и предупреждение об опасных метеорологических явлени-
ях, например таких, как смерчи, также не обходятся, а в ряде случаев и невоз-
можны без радиолокации. Единственным средством, которое может предупре-
дить экипаж воздушного лайнера о встрече с таким опасным метеообъектом,
как грозовое облако, является бортовой радиолокатор самолета.
Системы радиолокации являются незаменимыми помощниками человека
при наблюдении им окружающей его воздушной, наземной или морской обста-
новок в условиях, когда отсутствует оптическая видимость, — в условиях силь-
ной облачности, тумана, задымленности, в ночное время суток.
Спектр использования систем радиолокации в повседневной деятельности
человека достаточно широк. Это и медицина, и транспорт, и сельское хозяй-
ство, и военное дело. Сфера применения радиолокации этими областями не ог-
раничивается. Возможности ее использования достаточно широки.
В то же время, для понимания сути такой интересной и сложной области
науки и техники, как радиолокация, требуется достаточно большой объем зна-
ний, которые закладываются еще в средней школе и затем наращиваются при
обучении в высших технических учебных заведениях. Обычно дисциплины
по радиолокации в технических вузах студенты начинают изучать на последних
10 Введение
курсах, после освоения базовых дисциплин радиоинженера. Вот только некото-
рые из них: математический анализ, дифференциальное и интегральное исчис-
ление, теория вероятностей и математическая статистика, курс физики, радио-
технические цепи и сигналы, статистическая радиотехника, электродинамика
и распространение радиоволн. Это зачастую отпугивает молодых людей от ос-
воения радиолокации. В этой связи авторы попытались рассказать о радиоло-
кации простым языком, без излишнего насыщения материала математически-
ми формулами. Для понимания материала, представленного в книге, читателю
достаточно знаний по математике и физике, полученных в рамках программы
средней школы. Однако при этом в книге рассмотрены как физические, так
и теоретические основы радиолокации. Показаны традиционные области при-
менения радиолокационных систем. Обращается внимание на перспективные
направления применения радиолокации.
Изложение материала в книге ведется в форме беседы. Одним ее участни-
ком является специалист в области радиолокации — профессор кафедры ра-
диолокации, другим — студент, не знакомый с радиотехникой и ее областью
радиолокацией. Студент задает вопросы, а профессор на них отвечает.
Построение книги выполнено таким образом, что каждая глава может рас-
сматриваться как самостоятельная единица. Поэтому отдельно взятую гла-
ву можно читать, не опираясь на материал, рассматриваемый в других главах
книги. Каждая глава в книге завершается списком литературы, в котором ука-
зываются источники, позволяющие читателю при его желании более детально
изучить материал, рассмотренный в текущей главе.
Книга ориентирована, в первую очередь, на выпускников школ и студен-
тов первых курсов технических вузов, которые еще ищут себя в избранной про-
фессии. В то же время она может служить подспорьем и для студентов старших
курсов радиотехнических факультетов, обучающихся по специальности «Ра-
диоэлектронные системы и комплексы». Кроме того, книга будет полезна и тем,
кто проявляет интерес к получению новых знаний. Надеемся, что книга мо-
жет заинтересовать и тех, кто далек как от радиолокации, так и радиотехники
в целом.
Книга подготовлена коллективом авторов — членом-корреспондентом
РАН, доктором технических наук, профессором В. С. Вербой (руководитель ав-
торского коллектива и редактор материалов глав книги), докторами техниче-
ских наук, профессорами А. Р. Ильчуком, Б. Г. Татарским, доктором техниче-
ских наук К. Ю. Гавриловым и кандидатом технических наук А. А. Филатовым,
которые имеют богатый практический опыт преподавательской деятельности
в ведущих технических вузах страны и научно-исследовательской и опытно-
конструкторской работы на предприятиях, занятых разработкой перспектив-
ных радиолокационных комплексов и систем.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß
Î ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор! В средствах массовой информации час-
то упоминаются такие слова, как «радиолокационные системы»,
«радиолокационные комплексы». Не могли бы Вы пояснить, что это
за системы и, в первую очередь, что такое радиолокация?
1.1. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ðàäèîëîêàöèè è òèïû
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Начну с Вашего последнего вопроса. Термин «радиолокация» про-
исходит от двух латинских слов: «radiare», которое означает «излу-
чать», и «locatio» — «размещение, расположение». Сложение этих двух
слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается опреде-
лением местоположения различных объектов по излученным от них сигналам.
Это самое общее толкование слова «радиолокация». Более точной формулиров-
кой будет следующая. Под радиолокацией понимают область радиоэлектрони-
ки, которая занимается разработкой методов и технических устройств (систем),
предназначенных для обнаружения и определения координат и параметров
движения различных объектов с помощью радиоволн. С помощью радиолока-
ции обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением
воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения)
различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и мор ским
движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности дви-
жения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явле-
ний, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое
время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принци-
пах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма че-
ловека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк,
несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.
Первые упоминания о возможности использования радиоволн для обнаруже-
ния различных объектов относятся ко второй половине 90-х годов XIX столе-
тия. В частности, годом рождения радиолокации в России считается 1897-й,
12 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
когда изобретатель радио Александр Степанович Попов, проводя свои экспери-
менты в открытом море по установлению связи с помощью беспроводного теле-
графа, обнаружил эффект отражения радиоволн. Было это так.
Летом 1897 года под руководством А. С. Попова в Финском заливе прово-
дились испытания радиоаппаратуры, изобретенного им беспроволочного те-
леграфа. В испытаниях принимали участие два морских судна — транспорт
«Европа» и крейсер «Азия». На данных судах были установлены приемная и пе-
редающая аппаратура, и между ними поддерживалась непрерывная радиосвязь.
Неожиданно между кораблями прошел линейный крейсер «Лейтенант Ильин».
Связь между кораблями прервалась. Через некоторое время, когда «Лейтенант
Ильин» прошел линию, соединяющую корабли, связь возобновилась. Это «за-
тенение» было замечено испытателями, и в отчете А. С. Попова по результатам
экспериментов было отмечено, что появление каких-либо препятствий между
передающей и приемной позициями может быть обнаружено как ночью, так
и в тумане. Так родилась радиолокация.
Таким образом, радиолокация — это область радиотехники, ко-
торая занимается разработкой методов и систем, предназна-
ченных для обнаружения различных объектов и измерения их
координат и параметров движения с помощью радиоволн.
Для того чтобы были понятны последующие мои объяснения, рассмотрим
основные термины и определения, которые используются в радиолокации.
Процесс просмотра заданной области пространства в целях получения ин-
формации о наличии в ней различных объектов и определения их параметров
с помощью радиоволн называют радиолокационным наблюдением. Объекты же
радиолокационного наблюдения называют радиолокационными целями или
просто целями. Примерами радиолокационных целей могут служить: корабли,
самолеты, танки, автомашины, люди, птицы и т. д.
Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например
обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью
одноименных радиолокационных устройств — радиолокационного обнаружите-
ля или радиолокационного измерителя дальности (радиолокационного даль-
номера) соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, пред-
назначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения
перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется
радиолокационной системой (РЛС) или радиолокатором. Техническая реализа-
ция такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англо-
язычной литературе — радаром.
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 13
Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный
сигнал, который может быть сформирован либо путем отражения (вторичного
излучения) электромагнитных колебаний (ЭМК) от цели, либо переизлучения
(ретрансляции) данных колебаний целью, либо излучения колебаний самой
целью. Электромагнитные колебания, которые используют для облучения цели
или заданной области пространства, обычно называют зондирующими колебани-
ями или зондирующим сигналом.
Операции, выполняемые в ходе радиолокационного наблюдения над при-
нимаемыми радиолокационными сигналами для извлечения информации о це-
лях, называют обработкой радиолокационных сигналов. Обработка является
составной частью процесса радиолокационного приема, который, помимо выше-
названной процедуры, включает также процедуры преобразования радиолока-
ционного сигнала, не связанные с извлечением информации о цели.
В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала раз-
личают следующие типы РЛС или методы радиолокации.
1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения.
При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излу-
чается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодей-
ствия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который
поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устрой-
стве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели (рис. 1.1). Данный
метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение
в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного
метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС
находятся в одной точке пространства.
2. Активные РЛС с активным ответом, или активный метод радиолокации
с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формиру-
ется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий
сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате от-
ражения излучаемых ЭМК целью, а за счет переизлучения их с помощью
РЛС
Цель
Излученный сигнал
Отраженный сигнал
Рис. 1.1. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
14 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором (рис. 1.2).
Данный метод широко используется в системах определения государственной
принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением
(УВД), а также в радионавигационных системах, например в радиотехниче-
ских системах ближней навигации при определении дальности до радиомаяка
(устройство, излучающее радиосигналы, местоположение которого известно
наблюдателю).
3. Полуактивный метод радиолокации, или полуактивные РЛС. При исполь-
зовании данного метода радиолокационный сигнал формируется, как при ак-
тивном методе путем отражения зондирующих ЭМК от цели. Но передающее
устройство, формирующее зондирующие ЭМК (передатчик (ПРД) РЛС), и ус-
тройство, принимающее отраженные сигналы (приемник (ПРМ) РЛС), разне-
сены в пространстве (рис. 1.3). Данный метод, например, широко использует-
ся при наведении управляемых ракет класса «воздух — воздух» на поражаемые
воздушные цели, а также в многопозиционных РЛС, под которыми обычно
понимают совокупность разнесенных в пространстве нескольких устройств
РЛС
Цель
Переизлученный сигнал
Ретранслятор
Излученный сигнал
Рис. 1.2. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
с активным ответом
Излученный сигнал
ПРД
Цель
Отраженный сигнал
ПРМ
Рис. 1.3. Графическая иллюстрация принципа полуактивной радиолокации
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 15
формирования зондирующих сигналов (передатчиков) и устройств приема от-
раженных сигналов (приемников).
4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблю-
дения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной
особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного
устройства (приемника (ПРМ)), состоящего из приемной антенны и собственно
приемника (рис. 1.4). Отсутствие необходимости формирования зондирующе-
го колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС
широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника,
например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей
стороны.
Собственное
излучение цели
Цель
ПРМ
Рис. 1.4. Графическая иллюстрация принципа пассивной радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы могут быть ак-
тивными, полуактивными, активными с активным ответом
и пассивными.
В ходе радиолокационного приема поступивших на вход ПРМ РЛС элект-
ромагнитных колебаний от цели, как правило, необходимо решить следующие
задачи:
1) обнаружить цель, т. е. установить факт наличия полезного сигнала s(t),
отраженного от цели, в принимаемом колебании у(t). Прием данного колеба-
ния у(t), как правило, сопровождается различного рода помехами n(t), природа
происхождения которых может быть самой разнообразной (внутренний шум
приемника РЛС, отражения от облака пассивных отражателей, искусственно
организованные помехи и т. п.). Помехи относятся к категории так называе-
мых случайных сигналов, предсказать изменение которых во времени заранее
невозможно. В этой связи при действии помех заранее неизвестно, есть ли по-
лезный сигнал, например отраженный от цели, в принятом приемником РЛС
16 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
колебании. При отсутствии помех любой сигнал, который появляется на входе
приемника РЛС, будет восприниматься как полезный. В этой связи при реше-
нии задачи обнаружения, как, впрочем, и всех перечисленных выше, использу-
ется специальный математический аппарат, основанный на теории вероятнос-
тей и математической статистике;
2) разрешить радиолокационные цели, т. е. раздельно обнаружить несколь-
ко одновременно существующих в принимаемом колебании у(t) отраженных
от целей сигналов с близкими, но различающимися параметрами, или изме-
рить значения параметров данных сигналов.
Разрешение имеет смысл при наличии нескольких целей в зоне наблюдения
РЛС; 3) измерить значения параметров полезного сигнала s(t, ) в целях получе-
ния информации о координатах и параметрах движения целей. Такими пара-
метрами чаще всего являются время запаздывания tд, доплеровское смещение
частоты fдп и направление прихода принимаемой электромагнитной волны
(ЭМВ), по которому оцениваются угловые координаты наблюдаемой цели.
Дополнительными задачами радиолокационного наблюдения являют-
ся различение и распознавание целей. Если решение первой задачи позволяет
определить один из классов целей (воздушные, морские или наземные цели),
то решение второй позволяет определить тип цели в заданном классе (самолет,
вертолет и т. д.). Решение данных задач основывается на анализе всего объема
информации, который содержится в радиолокационном сигнале. Эффективное
решение указанных задач возможно при использовании всех характеристик,
описывающих принимаемые радиолокационные сигналы, — временных, про-
странственных и поляризационных.
Все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.
В первую группу входят РЛС класса «воздух — воздух», основной задачей кото-
рых является обнаружение, измерение координат и параметров движения воз-
душных целей. К данным РЛС относятся, например, радиолокационные стан-
ции перехвата и прицеливания, устанавливаемые на самолетах-истребителях
(фото 1.1), либо авиационные РЛС дальнего радиолокационного обнаружения
воздушных целей (фото 1.2).
Вторую группу составляют РЛС класса «воздух — поверхность». Данные РЛС
служат для получения радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверх-
ности либо информации о координатах и параметрах движения наземных целей.
К данным системам относятся, например, РЛС обзора Земли (фото 1.3), которые
обеспечивают получение радиолокационного изображения поверхности Зем-
ли и информации о координатах и параметрах движения наземных целей, либо
РЛС обеспечения безопасности полетов на малых и предельно малых высотах,
которые позволяют получать информацию о структуре рельефа подстилающей
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 17
Фото 1.2. Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения
Фото 1.1. РЛС перехвата и прицеливания самолета-истребителя
Фото 1.3. РЛС обзора Земли
18 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
поверхности Земли. В эту группу входят также и РЛС, обеспечивающие радиоло-
кационную разведку наземных объектов и наблюдение малоразмерных наземных
целей.
В третью группу входят РЛС класса «поверхность — воздух», основной задачей
которых, как и радиолокаторов первой группы, является обнаружение, измере-
ние координат и параметров движения воздушных целей. Однако местом уста-
новки таких систем являются либо поверхность Земли, либо объекты наземной
и морской техники (подвижные или стационарные). Типичным представителем
таких систем являются РЛС обнаружения, входящие в системы управления воз-
душным движением (УВД) (фото 1.4) или противовоздушной обороны (ПВО)
страны, а также РЛС, призванные для наблюдения за метеорологической обста-
новкой (фото 1.5).
Четвертую группу составляют РЛС класса «поверхность — поверхность», ос-
новной задачей которых является обнаружение, измерение координат и пара-
метров движения наземных целей либо воздушных объектов при перемещении
последних по поверхности Земли. Типичным представителем таких систем яв-
ляются, например, РЛС обзора летного поля (фото 1.6), которые входят в систе-
мы управления движением самолетов при рулении их по летному полю (взлет-
но-посадочным полосам (ВПП) и рулежным дорожкам).
Из приведенных примеров РЛС заявленных классов следует, что на первом
месте в названии класса стоит слово, обозначающее место установки радиоло-
катора, а на втором — слово, определяющее объект, по которому работает РЛС.
В частности, например, если речь идет о классе РЛС «поверхность — воздух», то
это значит, что РЛС находится на земной поверхности, а объектами ее наблюде-
ния являются воздушные цели.
Фото 1.4. «Лира Т» — обзорный трассовый радиолокатор
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 19
Кроме отмеченных, существует еще одна группа РЛС, которые строятся
по многофункциональному принципу и объединяют в себе решение задач, напри-
мер, возлагаемых как на радиолокационные системы класса «воздух — воздух»,
так и на системы класса «воздух — поверхность». Другими словами, данные РЛС
объединяют в себе функции радиолокаторов различных классов. Такими, на-
пример, являются бортовые РЛС, устанавливаемые на современные самолеты-
истребители (тактические истребители) (фото 1.7).
Фото 1.6. Радиолокатор обзора летного поля «Атлантика Э3»
Фото 1.5. Метеорологический радиолокатор (метеорадиолокатор) МРЛ -5Б
20 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше
разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые стро-
ятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы
не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния ор-
ганизма человека, либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо
наблюдения космических объектов и т. п. Но в целом приведенная класси-
фикация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному
предназначению.
В ряде случаев в состав бортовых систем технического средства (носителя)
входят несколько РЛС, которые решают одну общую задачу. В этом случае сово-
купность РЛС образует радиолокационный комплекс. Иногда под радиолокацион-
ным комплексом понимают совокупность из РЛС и других технических систем
или устройств, которые обеспечивают решение задачи, возлагаемой на РЛС.
В частности, такой совокупностью может быть РЛС и вычислительная система,
обеспечивающая процесс обработки радиолокационного сигнала.
Таким образом, радиолокационные системы делятся на пять
больших классов: РЛС класса «воздух — воздух», РЛС класса
«воздух — поверхность», РЛС класса «поверхность — воздух»,
РЛС класса «поверхность — поверхность» и многофункциональ-
ные РЛС.
По месту установки РЛС и ее составных частей различают однопозиционные
и многопозиционные РЛС. Под однопозиционными понимают РЛС, передатчик
Фото 1.7. Многофункциональная РЛС «Копье-21»
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 21
и приемник которых располагаются в одной точке пространства. Если данное
условие не выполняется, то РЛС относят к разряду многопозиционных. При по-
строении РЛС по многопозиционному принципу количество передающих
и приемных позиций может быть разным (рис. 1.5). Однако если принцип дейс-
твия многопозиционной РЛС основан на активном методе радиолокации, то
в составе данной системы должна быть как минимум одна передающая позиция
(рис. 1.6). Если в основу работы многопозиционной РЛС положен пассивный
метод радиолокации, то в этом случае все ее элементы представляются в виде
приемных позиций, разнесенных в пространстве (рис. 1.7). Позиции, в которых
располагаются элементы многопозиционной РЛС, могут быть неподвижными
(стационарными) и подвижными, т. е. располагаться на подвижных носителях
или, как пишут в англоязычной литературе, на платформах.
В случае, когда в состав многопозиционной РЛС входят только два элемента
(позиции), ее называют двухпозиционной. Если при этом позиции, в которых
расположены элементы РЛС, являются стационарными, то такую двухпозици-
онную РЛС часто называют бистатической.
Многопозиционная РЛС может быть образована и из совокупности при-
емо-передающих элементов, располагаемых в каждой из разнесенных позиций
(рис. 1.8), либо из совокупности разнесенных в пространстве отдельных РЛС
(рис. 1.9).
Цель
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
передающая
позиция
Рис. 1.5. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности передающих и приемных позиций
22 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.7. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных позиций
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.6. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных и одной передающей позиций
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 23
Цель РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
Рис. 1.9. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности радиолокационных станций
Цель
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
Рис. 1.8. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемо-передающих позиций
24 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы различных клас-
сов могут быть построены как на однопозиционных, так и мно-
гопозиционных принципах.
Спасибо, уважаемый профессор! Теперь я понял, что такое РЛС и ка-
кие задачи она решает. Однако хотелось бы понять, существуют ли
различия в работе РЛС, относящихся к одному классу?
1.2. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Если говорить коротко, ответ положительный — да, существуют.
Но для того, чтобы понять, в чем это различие, необходимо рас-
смотреть, что собой представляет радиолокационный сигнал.
Первоначально рассмотрим зондирующий сигнал. В самом
простейшем виде его можно представить, как
s(t ) U(t )cos2 f t 0 , (1.1)
где U(t) — огибающая сигнала или, другими словами, функция, которая опи-
сывает изменение во времени амплитуды сигнала; 2f0t — фаза зондирующего
сигнала; f0 — несущая частота сигнала; t — текущее время.
В зависимости от того, как изменяется зондирующий сигнал во времени, он
может быть непрерывным или импульсным.
При импульсной форме зондирующего сигнала он представляется в виде
чередующихся во времени отрезков колебаний вида (1.1), которые называют им-
пульсами, разделенных пустыми отрезками (рис. 1.10). Форма импульсов может
быть различной. В частности, на рис. 1.10а представлен зондирующий сигнал
в виде последовательности из прямоугольных радиоимпульсов, а на рис. 1.10б —
в виде последовательности радиоимпульсов с колоколообразной огибающей.
Расстояние по оси времени между началом одного импульса до начала после-
дующего называют периодом следования импульсов и обозначают как ТИ. Про-
тяженность же по оси времени отдельного импульса называют длительностью
импульса и обозначают как tИ. Отношение периода следования импульсов ТИ
к их длительности tИ называют скважностью импульсов, которая показывает,
сколько целых импульсов заданной длительности укладывается во временной
интервал, равный их периоду следования. Кроме этого, каждый импульс, так
же как и сигнал вида (1.1), описывается такими параметрами, как огибающая,
фаза и несущая частота. Причем, как правило, такие параметры, как огибающая
1.2. Отличительные особенности функционирования радиолокационных систем 25
и несущая частота, являются одинаковыми для каждого импульса зондирую-
щего сигнала. На рис. 1.11 представлены огибающие отдельных импульсов, об-
разующих зондирующий сигнал, в виде прямоугольной последовательности
радиоимпульсов (рис. 1.11а) и последовательности радиоимпульсов с колоколо-
образной огибающей (рис. 1.11б). Кроме того, на рисунках показаны пиковые
(максимальные) значения А0 амплитуд отдельных импульсов, входящих в по-
следовательность зондирующих сигналов.
U(t) U(t)
a б
A0
A0
tИ
tИ t t
Рис. 1.11. Огибающие радиоимпульсов: прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) форм
s(t)
s(t)
ТИ
a
б
A0
tИ
ТИ
t
A0
tИ
Рис. 1.10. Последовательности радиоимпульсов с прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) огибающими
26 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
При непрерывной форме зондирующего сигнала он представляет собой ко-
лебание, которое по оси времени меняется непрерывно. Процесс изменения его
во времени ограничивается только временем работы передатчика РЛС. Данный
сигнал можно описать выражением (1.1), полагая, что временной интервал из-
менения данного сигнала стремится к бесконечности.
В свою очередь, РЛС, которая использует импульсные зондирующие сиг-
налы, называется импульсной РЛС или РЛС, работающей в импульсном режиме
излучения. РЛС, использующая непрерывные зондирующие сигналы, называ-
ется непрерывной РЛС или РЛС, работающей в непрерывном режиме излучения.
На практике наибольшее распространение получили РЛС, работающие в им-
пульсном режиме излучения.
Сигнал, который поступает на вход РЛС (радиолокационный сигнал), от-
личается от излученного (зондирующего), в первую очередь, своей амплитудой
и временем его появления относительно момента излучения сигнала s(t). Раз-
ность данных времен обычно называют временем запаздывания радиолокаци-
онного сигнала и обозначают как tд. Учитывая данные замечания, сигнал, дей-
ствующий на входе приемника РЛС, можно записать как
s(t ) U(t t )cos f (t t ) д д 2 0 , (1.2)
где — коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды принимаемо-
го сигнала по сравнению с излученным за время распространения радиоволн
от РЛС к цели и обратно.
Как видно из (1.2), информацию о цели несет в себе как огибающая сигна-
ла, так и его фаза. В зависимости от того, используется или нет при обработке
принимаемого сигнала информация об изменении его фазы, все современные
РЛС делятся на две большие группы — когерентные и некогерентные. В коге-
рентных РЛС при обработке радиолокационного сигнала используется инфор-
мация, содержащаяся как в фазе сигнала, так и в его огибающей. В РЛС, кото-
рые относятся к некогерентному типу, обработка радиолокационного сигнала
ведется без учета изменения его фазы. В этой связи в рамках одного класса РЛС
могут быть построены как по когерентному, так и некогерентному принципам.
В частности, при использовании импульсных РЛС на практике находят приме-
нение радиолокаторы, работающие с некогерентными и когерентными после-
довательностями радиоимпульсов и решающие одинаковые задачи.
Необходимо заметить, что когерентные РЛС по отношению к некогерент-
ным обладают большими информационными возможностями, поскольку ис-
пользуют всю информацию о цели, заключенную в радиолокационном сигнале.
Однако к данным РЛС предъявляют более жесткие требования по стабильности
работы ее приемо-передающих элементов, чем это имеет место при построении
РЛС некогерентного типа.
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 27
Из вышесказанного следует, что радиолокационные системы
одного класса могут быть как когерентными, так и некогерент-
ными. Когерентные РЛС обладают перед некогерентными пре-
имуществами по объему извлекаемой информации из прини-
маемого сигнала от цели, однако уступают некогерентным РЛС
по сложности построения.
Уважаемый профессор! Из Вашего объяснения следует, что сущест-
вуют различные типы радиолокационных систем. В то же время хоте-
лось понять, какие типовые элементы должны присутствовать в РЛС
любого типа и какие функции на них возлагаются?
1.3. Òèïîâàÿ ñòðóêòóðà ðàäèîëîêàöèîííîé ñèñòåìû
Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит
от назначения системы и задач, решение которых возлагается
на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную
структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого ра-
диолокатора. Структурная схема такой гипотетической РЛС представлена
на рис. 1.12 и относится к радиолокатору, в основу работы которого положен ак-
тивный метод радиолокации при импульсном режиме излучения. На данной
структурной схеме представлены шесть основных элементов типовой РЛС, ко-
торые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, — пере-
датчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переклю-
чатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.
Передатчик или передающий тракт РЛС обеспечивает формирование зон-
дирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и пере-
дачу в антенную систему (антенну).
Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу (режим из-
лучения зондирующего сигнала), так и на прием (режим приема сигнала, отра-
женного от цели).
В режиме передачи антенна обеспечивает преобразование зондирующего
радиосигнала, поступившего от ПРД, в радиоволну и излучение зондирующего
колебания в направлении на цель.
В режиме приема антенна обеспечивает преобразование отраженной от цели
радиоволны в радиосигнал с последующей передачей его в приемник.
Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечи-
вается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами
системы управления и синхронизации.
28 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого
сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до не-
обходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора.
Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты
принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обра-
ботки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию (выделение) полез-
ного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые дей-
ствуют одновременно с полезным сигналом.
После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает
в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого
сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представ-
ляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компью-
теру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще
называют цифровой системой обработки.
На рис. 1.12 операции, выполняемые системой обработки для решения кон-
кретной задачи радиолокационного приема, условно объединены в канал, что-
бы подчеркнуть тот факт, что данную операцию можно выполнить отдельным,
Канал обнаружения
Канал измерения
дальности
Канал измерения
скорости
Канал измерения
угловых координат
Канал распознавания
Канал формирования
радиолокационного
изображения
АНТ АП ПРД
ПРМ
Система
управления и
синхронизации
Система обработки
да
нет
Д
V
г
в
тип
класс
РЛИ
Рис. 1.12. Структурная схема гипотетической РЛС
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 29
конструктивно исполненным устройством. Как видно из схемы на рис. 1.12,
в составе системы обработки имеются шесть каналов — обнаружения, измере-
ния дальности, измерения скорости, измерения угловых координат, распозна-
вания и формирования радиолокационного изображения (РЛИ).
В цифровой системе обработки каждый канал реализуется с помощью спе-
циально разработанной совокупности алгоритмов, конкретное содержание
которых отражает специфику радиолокатора. Вся совокупность алгоритмов,
закладываемая в цифровую систему обработки, называется программным
обеспечением.
Каждый из представленных на схеме рис. 1.12 каналов системы обработки
обеспечивает решение задач, соответствующих своему наименованию. Так, ка-
нал обнаружения обеспечивает установление факта наличия цели (целей) в зоне
ответственности РЛС. Каналы измерения дальности, скорости и угловых коор-
динат обеспечивают определение дальности Д, скорости V и угловых координат
г, в обнаруженных целей в горизонтальной (в плоскости азимута) и вертикаль-
ной (в плоскости угла места) плоскостях соответственно. Канал распознавания
служит для выявления классов и типов наблюдаемых объектов. Канал форми-
рования радиолокационного изображения служит для получения РЛИ земной
поверхности, которое представляет собой двумерную плоскую картину, чаще
всего в координатах «дальность — азимут», распределения интенсивности от-
раженного сигнала от объектов на поверхности Земли и самой земной поверх-
ности в пределах участка поверхности Земли, облучаемой РЛС.
Каждая их рассмотренных групп алгоритмов (каналов) функционирует
в тесной взаимосвязи друг с другом. В частности, установление факта наличия
в зоне ответственности РЛС цели важно, но бессмысленно без определения ее
местоположения в пространстве. А данную информацию можно получить толь-
ко в том случае, если будут известны такие параметры цели, как дальность до нее
и ее угловые координаты. В то же время необходимо отметить, что количество
каналов зависит от предназначения РЛС. Ряд из них может отсутствовать, на-
пример, каналы распознавания и формирования РЛИ, если на РЛС данные за-
дачи не возлагаются.
Конечно же, в реально существующей РЛС количество выполняемых опе-
раций и соответствующее им число каналов больше, чем рассмотрено в схеме
на рис. 1.12. Однако мы сейчас говорим об общих принципах построения РЛС
и не ставим перед собой задачу подробно рассказать обо всех особенностях, свя-
занных с функционированием радиолокатора.
Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систе-
му обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радио-
локационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки
определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим
30 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать техни-
ческие системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом.
Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искус-
ственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.
Управление рассмотренными элементами РЛС осуществляется системой
управления и синхронизации. Данная система является своеобразным диспет-
чером, который обеспечивает:
своевременное переключение каналов пе • редачи и приема сигналов для
формирования зондирующих колебаний в направлении на цель и обес-
печения приема отраженных от нее сигналов;
• синхронную работу (синхронизацию) во времени всех элементов РЛС
путем формирования специальных синхронизирующих сигналов и вы-
деления необходимых временных интервалов на выполнение той или
иной процедуры в ходе формирования зондирующих сигналов и обра-
ботки отраженных сигналов от цели;
• формирование специальных сигналов и опорных колебаний для обеспе-
чения работы передающих и приемных каналов РЛС;
• управление системой обработки в целях своевременного включения
в работу каналов (алгоритмов), обеспечивающих решение задач обнару-
жения и измерения координат и параметров движения целей, распозна-
вания целей, а также формирования РЛИ;
• управление параметрами режимов излучения и приема РЛС в целях со-
здания условий для обеспечения высокого качества решения текущей
задачи радиолокационного наблюдения.
Таким образом, подводя итог обсуждению, можно сказать, что
современный радиолокатор является сложным техническим
устройством, при реализации которого используются все сов-
ременные технологии, которые касаются как конструктивного
исполнения элементов радиолокатора, так и его программно-
го обеспечения. Программное обеспечение, закладываемое
в систему обработки, определяет искусственный интеллект
РЛС, и определяет возможности радиолокатора и качество ре-
шения возлагаемых на него задач.
Ëèòåðàòóðà
1. Бакулев П. А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. — М.: Радио-
техника, 2015.
Литература 31
2. Дудник П. И., Герасимов А. А., Ильчук А. Р., Кондратенков Г. С., Татар-
ский Б. Г. Авиационные радиолокационные комплексы и системы / Под ред.
П. И. Дудника. — М.: Изд. ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 2006.
3. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник.
Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я. Д. Ширмана. — М.: Радиотехника,
2007.
4. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехни-
ка» / Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; под ред. Ю. М. Ка-
заринова. — М.: Высшая школа, 1990.
5. Радиолокационные системы / Под ред. А. И. Николаева. — М.: Издательство
МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2016.
6. Верба В. С. Обнаружение наземных объектов. Радиолокационные системы
обнаружения и наведения воздушного базирования. — М.: Радиотехника,
2007.
ÃËÀÂÀ 2
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ
ÎÑÍÎÂÛ
ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор, не могли бы Вы рассказать, на каких физи-
ческих основах базируется радиолокация?
Как и любое направление развития науки и техники, радиолока-
ция базируется на некоторых физических основах, позволяющих
обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнару-
живать различного рода объекты и определять координаты и пара-
метры их движения с помощью радиоволн. Традиционно все объекты наблю-
дения в радиолокации называются целями, поскольку первоначально
радиолокация рассматривалась как прикладная наука, способствующая авто-
матизации и эффективности решения только военных задач по обнаружению
и измерению координат объектов противника.
Использование радиоволн (РВ) или, другими словами, электромагнит-
ных колебаний (ЭМК) (рис. 2.1а), частотный диапазон которых сосредоточен
в пределах от 3 кГц до 300 ГГц (рис. 2.1б), определяет основные преимущества
радиолокационных систем (РЛС) и устройств (РЛУ) перед другими системами
локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь,
это обусловлено тем, что закономерности распространения РВ в однородной
среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года
и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных
появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает
работоспособность РЛС и РЛУ.
Закономерности распространения РВ в однородной среде до-
статочно стабильны в любое время суток и в любое время года.
Физические основы радиолокации 33
a
H
E(t)
H(t)
t
E
0
Радиоволны Оптические волны
3 кГц
(100 км)
300 ГГц
(1 мм)
3 × 103 ГГц
(0,1 мм)
3 × 106 ГГц
(0,1 мкм)
Диапазоны волн Диапазоны частот
Мириаметровые,
100…10 км
Очень низкие
частоты (ОНЧ),
3…30 кГц
Километровые,
10…1 км
Низкие частоты
(НЧ), 30…300 кГц
Гектометровые,
1000…100 м
Средние частоты
(СЧ), 300…3000 кГц
Декаметровые,
100…10 м
Высокие частоты
(ВЧ), 3…30 МГц
Метровые,
10…1 м
Очень высокие
частоты (ОВЧ),
30…300 МГц
Дециметровые,
100…10 см
Ультравысокие
частоты (УВЧ),
300…3000 МГц
Сантиметровые,
10…1 см
Сверхвысокие
частоты (СВЧ),
3…30 ГГц
Миллиметровые,
10…1 мм
Крайне высокие
частоты (КВЧ),
30…300 ГГц
Диапазоны волн Диапазоны частот
Инфракрасные
лучи,
0,1 мм … 0,76 мкм
3 × 1012…3,95 × 1014 Гц
Видимые лучи,
0,76…0,38 мкм (3,95…7,89) × 1014 Гц
Ультрафиолетовые
лучи,
0,38…0,1 мкм
7,89 × 1014…3 × 1015 Гц
Рис. 2.1. К пояснению понятия «радиоволна»: пространственное представление
электромагнитной волны (а) и сравнительная таблица диапазонов длин волн
(диапазонов частот) электромагнитных колебаний (б)
34 Глава 2. Физические основы радиолокации
Уважаемый профессор, а не могли бы Вы рассказать, каковы основ-
ные закономерности распространения радиоволн, позволяющие
проводить радиолокационные измерения и обнаруживать цели?
2.1. Îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ
ðàäèîâîëí, èñïîëüçóåìûå â ðàäèîëîêàöèè ïðè
îáíàðóæåíèè öåëåé è èçìåðåíèè èõ êîîðäèíàò
Основными закономерностями распространения РВ, которые поз-
воляют обнаруживать объекты в зоне радиолокационной ответ-
ственности (в области пространства, которая определена для про-
смотра радиолокационной системе или устройству) и измерять
координаты и параметры их движения, являются следующие:
• постоянство скорости и прямолинейность распространения
радиоволн в однородной среде. При проведении инженер-
ных расчетов скорость С распространения радиоволн прини-
мают равной 3 · 108 м/с;
• способность РВ отражаться от различных областей простран-
ства, электрические или магнитные параметры которых (элек-
трическая проводимость или магнитная проницаемость) отли-
чаются от аналогичных параметров среды распространения;
• изменение частоты fпрм принимаемого сигнала по отношению
к частоте излученного сигнала при относительном движении ис-
точника излучения и приемника радиолокационного сигнала.
Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом
Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера (1803–
1853 гг.), который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты
колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления дви-
жения источника волны и наблюдателя относительно друг друга. В 1848 году
эффект Доплера был уточнен французским физиком Арманом Физо (1819–
1896 гг.), а в 1900 году — экспериментально проверен русским ученым Арис-
тархом Белопольским (1854–1934 гг.) на лабораторной установке. В этой связи в
научно-технической литературе наименование данного эффекта можно встре-
тить под названием «эффект Доплера — Белопольского».
Первое из указанных свойств РВ лежит в основе измерения расстояний
(дальности) до объекта (цели) и определения его угловых координат.
Второе свойство позволяет обнаруживать объекты, которые находятся
в зоне видимости (зоне радиолокационной ответственности) РЛС.
Третье свойство позволяет измерять радиальную скорость движения цели.
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 35
при обнаружении целей и измерении их координат
Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС из-
лучает в ее направлении зондирующий сигнал (рис. 2.2). Данный
сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается об-
ратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость С распро-
странения радиосигнала (радиоволны) в однородной среде постоянная, то для
определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излуче-
ния t0 зондирующего сигнала и момент приема t1 отраженного сигнала от цели.
В результате разность (t1 − t0) позволяет определить время, в течение которого
радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, который равен 2Д, где Д —
дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t1 − t0)
в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как tд. В резуль-
тате при известной величине tд можно составить равенство
2Д = Сtд,
из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна
Д = Сtд/2. (2.1)
Процесс измерения дальности до объекта наблюдения с помощью РЛС можно
сравнить с процессом измерения длины какого-либо предмета с помощью обык-
новенной линейки (рис. 2.3). Начало шкалы линейки в этом случае должно соот-
ветствовать точке расположения РЛС, а значение шкалы линейки, которое совпа-
дет с точкой расположения цели, будет соответствовать расстоянию (дальности)
до объекта наблюдения. Точность измерения дальности будет определяться ценой
РЛС
Цель
tИ
t
TИ
Sизл(t)
Sотр(t)
Sизл(t)
Sотр(t)
t = t0 t = t1
tД
t
Рис. 2.2. Измерение дальности до цели с помощью радиоволн
36 Глава 2. Физические основы радиолокации
деления l шкалы линейки. Чем меньше величина l, тем выше точность изме-
рения дальности. Аналогом цены деления l шкалы линейки служит показатель
РЛС, именуемый разрешающей способностью ее по дальности и обозначаемый
как Д. Данный показатель характеризует минимальное расстояние между двумя
близко расположенными объектами, при котором сигналы, отраженные от дан-
ных объектов и воспринимаемые приемником РЛС, будут на его выходе наблю-
даться раздельно (рис. 2.4). Если все расстояние «РЛС — цель» разбить на элемен-
ты Д, то получим некоторый аналог линейки с ценой шкалы, равной величине Д
(рис. 2.5). Особенностью такой линейки будет ее виртуальность и длина, которая
должна быть не меньше, чем дальность действия РЛС. В зависимости от предна-
значения РЛС дальность ее действия, а следовательно, и длина виртуальной ли-
нейки, может составлять от единиц километров до нескольких сотен километров.
объект
длина объекта
l
Рис. 2.3. Объяснение процесса измерения длины объекта
РЛС
Цель 1
Д1
Цель 2
Д2
0 Д
Uвых(Д)
Д
Дмин = Д
Рис. 2.4. К пояснению понятия «разрешающая способность РЛС по дальности»
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 37
при обнаружении целей и измерении их координат
Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности
до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью
РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаз-
дывания tД, которое при известной скорости С распростране-
ния радиоволн позволяет определить дальность до нее в соот-
ветствии с выражением (2.1).
При определении углового положения цели РЛС выполняет роль
транспортира (рис. 2.6), который, как известно, служит для измере-
ния величин углов между выбранным направлением отсчета и на-
правлением на объект, представляющий интерес. Направление, ко-
торое выбирается за отсчетное при использовании РЛС, может представлять
собой, например, направление «север — юг» (северное направление), направле-
ние, соответствующее продольной оси летательного аппарата или транспортного
средства и т. п. Все зависит от предназначения РЛС и места ее установки — назем-
ная или бортовая (самолетная, корабельная, космическая и т. п.). Для определен-
ности в дальнейшем в качестве отсчетного будем принимать северное направле-
ние. В этом случае угловое положение цели будет соответствовать углу между
направлением на север и направлением на цель (рис. 2.7). Для того, чтобы опреде-
лить направление на цель, необходимо определить направление нормали (пер-
пендикуляра) к фазовому фронту радиоволны, отраженной от цели или излучен-
ной ею. При этом под фазовым фронтом РВ понимают геометрическое место
точек, расположенных вокруг цели, которые соответствуют постоянному значе-
нию фазы РВ при условии, что радиоволна отражается от цели во всех
РЛС
Цель
Д
виртуальная линейка
расстояние до цели
Рис. 2.5. Представление процесса измерения расстояния до цели
с помощью виртуальной линейки
38 Глава 2. Физические основы радиолокации
направлениях в пределах 360 градусов (рис. 2.8). Поскольку цель, как правило,
находится далеко от РЛС, то ее можно представлять в виде точки. В этом случае
говорят, что цель является точечной. Тогда фазовый фронт РВ, отраженный от то-
чечной цели (ТЦ), в картинной плоскости в каждый момент времени можно пред-
ставить в виде окружности, центр которой располагается в точке нахождения ТЦ
1
2
Объект 2
Объект 1
0
90
180
45 135
Рис. 2.6. Представление процесса измерения угловой координаты объекта
с помощью виртуального транспортира
Цель
С
Северное
направление
Ю
РЛС
Направление «РЛС – цель»
Угловое положение цели
Рис. 2.7. Графическая иллюстрация процесса измерения угловой
координаты наблюдаемой цели
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 39
при обнаружении целей и измерении их координат
(рис. 2.9). При этом направление луча «РЛС — цель» будет определяться по пер-
пендикуляру (нормали) к фазовому фронту РВ, восстановленному в точке пересе-
чения линии «РЛС — цель» и окружности вокруг ТЦ (рис. 2.10). Если теперь со-
вместить выбранное за начало отсчета значение (не обязательно нулевое) шкалы
воображаемого транспортира с направлением на север, то значение его шкалы,
совпадающее с лучом «РЛС — цель», будет соответствовать угловому положению
цели относительно направления отсчета. При этом точность определения
цель
Фазовый фронт РВ
Касательная
к фазовому фронту РВ
Направление
на РЛС
Нормаль к фазовому
фронту РВ
Рис. 2.8. Определение направления на цель по фазовому фронту
отраженной радиоволны
фазовый фронт РВ,
отраженной
от точечной цели
точечная
цель
Рис. 2.9. Графическое представление фазового фронта радиоволны,
отраженной от точечной цели
40 Глава 2. Физические основы радиолокации
углового положения цели будет зависеть от цены деления шкалы транспортира
(рис. 2.6). Аналогом величины при использовании в качестве измерителя РЛС
будет являться ее показатель, именуемый разрешающей способностью по уг-
ловой координате. Данный показатель определяется минимальной величиной
разности мин = 2 − 1 в угловых направлениях на две близко расположенные
цели, при которой сигналы, отраженные или излученные данными объектами,
на выходе приемника РЛС отображаются раздельно (рис. 2.11).
Из сказанного следует, что при измерении углового положения цели необ-
ходимо располагать информацией об угловом положении оси 0, выбранной
в качестве отсчетной, и луча л, соответствующего положению нормали к фазо-
вому фронту волны, приходящей от цели. Измерение угловой координаты цели
рассмотренным образом, может быть проведено как по фазовому фронту РВ,
отраженной от цели, так и по фазовому фронту РВ, излученной самой целью
(объектом).
При известных величинах 0 и л угловое положение цели ц будет равно
ц = л − 0. (2.2)
0
90
180
45 135
Нормаль
к фазовому
фронту РВ
Фазовый фронт РВ
Касательная
к фазовому
фронту РВ
Северное
направление
Точечная
цель
РЛС
Виртуальный
транспортир
л
ц
0
Рис. 2.10. Графическая иллюстрация процесса измерения угловой координаты
точечной цели с помощью виртуального транспортира
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 41
при обнаружении целей и измерении их координат
При значении 0 = 0 получаем ц = л. Таким образом определяются угловые
координаты цели как в горизонтальной плоскости цг (в плоскости азимута), так
и в вертикальной цв (в плоскости угла места) (рис. 2.10).
Располагая информацией о дальности Д до цели и ее угловых координатах
цг, цв, можно определить местоположение обнаруженной цели в пространстве
(рис. 2.12).
0
РЛС
С
Ю
uвых()
мин =
1
2
Рис. 2.11. К пояснению понятия «разрешающая способность РЛС
по угловой координате»
X
Y
Z
цг
цв
Д
Цель
РЛС
Направление,
выбранное
за отсчетное
Рис. 2.12. Определение пространственного положения (местоположения) цели
42 Глава 2. Физические основы радиолокации
Таким образом, при измерении углового положения цели необ-
ходимо располагать информацией об угловом положении оси
φ0, выбранной в качестве отсчетной, и луча φл, соответствую-
щего положению нормали к фазовому фронту волны, приходя-
щей от цели.
Знание информации о дальности Д до цели и ее угловых коор-
динатах φцг, φцв позволяет определить местоположение обна-
руженной цели в пространстве.
Как отмечалось ранее, процесс обнаружения цели основан на спо-
собности радиоволн отражаться от любой области пространства,
которая отличается по своим электрическим или магнитным пара-
метрам от среды распространения.
При отражении радиоволн от целей в параметры отраженной
волны (радиолокационного сигнала) закладывается инфор-
мация о свойствах и характеристиках наблюдаемого объекта.
Поэтому анализируя параметры отраженной волны, помимо
факта обнаружения цели, можно также определять ее коорди-
наты и параметры движения, классифицировать наблюдаемые
объекты, определять тип цели, габариты и т. п.
Однако необходимо заметить, что отражение РВ от цели будет происходить
тогда, когда характерные размеры цели lц будут не меньше длины волны зон-
дирующего электромагнитного колебания (падающей на цель радиоволны)
(рис. 2.13). В противном случае РВ, подобно морской волне (рис. 2.14), будет
огибать (омывать) неоднородность, появившуюся на ее пути, и радиосигнал,
отраженный от цели, формироваться не будет. Таким образом, для того, что-
бы от цели или неоднородности на пути распространения РВ был сформирован
отраженный сигнал (отраженная радиоволна), необходимо выполнение следу-
ющего условия:
lц . (2.3)
Из данного соотношения следует, что возможность цели быть обнаруженной
по отраженному от нее сигналу напрямую зависит от длины волны. Учитывая,
что наиболее характерные размеры lц объектов радиолокационного наблюдения
составляют единицы—десятки метров, диапазон радиочастот (длин волн) зон-
дирующих колебаний, чаще всего используемый в радиолокации, начинается
с единиц метров и ниже.
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 43
при обнаружении целей и измерении их координат
В то же время, необходимо заметить, что при облучении цели на ее поверх-
ности возникают токи проводимости, если поверхность проводящая, или токи
смещения, если поверхность диэлектрическая. Данные токи служат источни-
ками формирования вторичных ЭМК, которые переизлучаются целью во всех
направлениях, в том числе, и в направлении на РЛС. Все сказанное относится
к любой неоднородности, возникающей на пути распространения радиоволн.
В результате характер отражений от объектов в радиолокации и их интенсив-
ность в значительной степени зависят от соотношения между характерными
размерами объекта, существующими неоднородностями на его поверхности
и длиной волны.
Таким образом, источником отраженного сигнала являются не-
однородности, возникающие на пути распространения радио-
волн, электрические или магнитные параметры которых отли-
чаются от среды распространения.
Большой процент объектов радиолокационного наблюдения со-
ставляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, на-
пример, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т. д.
Основным отличительным признаком таких объектов является
Зондирующая Неоднородность
радиоволна
Отраженная
радиоволна
lЦ
Рис. 2.13. Графическая интерпретация процесса отражения радиоволны
Волна Неоднородность
lЦ
Рис. 2.14. Графическая иллюстрация ситуации,
при которой радиоволна не отражается от цели
44 Глава 2. Физические основы радиолокации
скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее,
можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиаль-
ную скорость движения цели (рис. 2.15). Если в зоне радиолокационного на-
блюдения находится неподвижная цель, то частота fпрм принимаемого сигнала,
отраженного от цели, не меняется по отношению к частоте f0 излученного (зон-
дирующего) сигнала (при условии, что источник излучения неподвижен).
При отражении сигнала от подвижного объекта происходит изменение часто-
ты fпрм по отношению к частоте f0. Характер изменения частоты fпрм принимае-
мого сигнала в этом случае зависит от направления движения цели по отноше-
нию к облучающей ее РЛС. Рассмотрим две ситуации. Первая — точечная цель
движется строго навстречу РЛС (рис. 2.16а). В этом случае радиоволна, излуча-
емая РЛС, встречается с целью раньше на величину t = L/Vц по сравнению
со случаем неподвижной цели, сокращая, таким образом, период колебания Т0
радиоволны на величину t. Здесь L — путь, проходимый целью, с момента из-
лучения РВ до ее встречи с целью, а Vц — скорость движения цели. Поскольку
ТЦ движется навстречу РЛС со скоростью Vц << C, то каждый последующий пе-
риод ЭМК также будет уменьшаться на величину t, т. е. период колебаний от-
раженной волны становится равным Тн1 = Т0 − t. А так как период колебания Т0
радиоволны и ее частота f0 связаны соотношением
Т0 = 1/f0,
то получаем, что частота fн1 наблюдаемой волны в точке цели, определяемая
как
fн1 = 1/Тн1, (2.4)
будет больше, поскольку период Тн1 меньше, чем Т0.
В случае, когда точечная цель удаляется от РЛС — вторая ситуация
(рис. 2.16б), происходит обратная картина. Цель встречается с излучаемой РВ
РЛС
цель
Линия визирования
«РЛС — цель»
VЦ
VРЛС
VРЛСР
VЦР
Рис. 2.15. Графическая иллюстрация к определению радиальной скорости
движения цели и носителя РЛС
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 45
при обнаружении целей и измерении их координат
позже на величину t по сравнению со случаем неподвижной цели. И, следо-
вательно, период колебаний наблюдаемой радиоволны Тн2 в точке цели увели-
чивается и становится равным Т0 + t. В результате, с учетом выражения (2.4)
получаем, что частота fн2 колебаний, наблюдаемых в точке цели, меньше, чем
f0, поскольку Тн2 = Т0 + t > Т0.
Для сравнения на рис. 2.16в и г приведены временные диаграммы изменения
частоты сигналов, отраженных от неподвижной цели и целей, двигающихся на-
встречу (рис. 2.16в) и от РЛС (рис. 2.16г). Как видно, сравнение характера измене-
ния частот данных сигналов позволяет выделить приращение или уменьшение
частоты принимаемого сигнала, отраженного от движущейся цели, и, следова-
тельно, определить скорость ее движения.
неподвижная
цель
t t
t t
t
t t
t
неподвижная
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
неподвижная
цель
неподвижная
цель
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС РЛС
РЛС РЛС
в г
a б
Vц
Vц Vц
Vц
Tн1 Tн2
T0
t t
T0
Рис. 2.16. Графическая иллюстрация изменения частоты принимаемых сигналов,
отраженных от движущейся и неподвижной целей
46 Глава 2. Физические основы радиолокации
Таким образом, подводя итог, можно констатировать, что час-
тота fпрм принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей
навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной
цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изме-
нение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским
смещением частоты и обозначают как fдп. Величина данного
смещения зависит от скорости взаимного движения носителя
РЛС и цели.
Необходимо заметить, что рассмотренные свойства РВ будут
проявляться вне зависимости от условий оптической видимос-
ти в зоне радиолокационного наблюдения.
Уважаемый профессор, Вы рассказали об основных закономернос-
тях распространения радиоволн, которые позволяют проводить ра-
диолокационные измерения и обнаруживать цели. А какие методы
измерения координат и параметров движения целей используют
в радиолокации?
2.2. Ìåòîäû èçìåðåíèÿ êîîðäèíàò è ïàðàìåòðîâ
äâèæåíèÿ öåëåé
Поскольку методы измерения дальности, угловых координат, ско-
рости движения целей отличаются друг от друга, то рассмотрим
методы измерения данных величин последовательно друг за дру-
гом. Начнем с методов измерения дальности или расстояний.
2.2.1. Методы измерения расстояний
Как было отмечено ранее, дальность Д до цели можно определить, если извест-
но время запаздывания tд, принимаемого радиолокационного сигнала. Инфор-
мация о времени запаздывания tд может быть заложена в любом из параметров
принимаемого радиосигнала, а именно: в амплитуде, частоте или в фазе сиг-
нала. При этом параметр, в котором заключена информация о цели, называют
информационным. В зависимости от того, какой из информационных параметров
радиосигнала используется при определении времени запаздывания tд, разли-
чают три метода измерения расстояний: импульсный (амплитудный), частотный
и фазовый.
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 47
При импульсном методе время запаздывания
tд измеряется относительно момента излучения
зондирующего импульса по моменту превыше-
ния амплитудой отраженного от цели импульсно-
го сигнала некоторого порогового уровня на вы-
ходе приемника (ПРМ) РЛС. Фиксация момента
превышения порогового уровня может быть вы-
полнена с помощью различных устройств, на-
пример, с помощью индикатора на электронно-
лучевой трубке (ЭЛТ) с амплитудной отметкой
цели (рис. 2.17). Однако в современных РЛС дан-
ная процедура проводится с помощью цифровых
устройств (рис. 2.18). Запуск устройства изме-
рения времени tд в этом случае осуществляется
в момент излучения зондирующих импульсов.
Управляет моментами излучения синхронизатор РЛС, который формирует после-
довательность импульсов, определяющих моменты времени формирования зон-
дирующих импульсов. Данную последовательность импульсов называют «синх-
ронизирующими импульсами» или просто — «синхроимпульсы» (СИ) (рис. 2.18).
В момент прихода СИ запускается генератор счетных импульсов (ГСЧИ), который
начинает формировать последовательность импульсов с периодом следования ТСЧ,
причем ТСЧ << TИ = ТСИ, где TИ, ТСИ — периоды следования зондирующих и синх-
роимпульсов соответственно (см. рис. 2.19). Одновременно с ГСЧИ запускается
также формирователь селекторного импульса (ФСИ), который начинает форми-
ровать селекторный импульс. В момент начала формирования селекторного им-
пульса открывается схема совпадения (СС), которая обеспечивает прохождение
на цифровой счетчик импульсов (ЦСИ) счетных импульсов (СЧИ), поступающих
с выхода ГСЧИ. В результате ЦСИ подсчитывает количество СЧИ, поступивших
на его вход. Подсчет счетных импульсов продолжается до тех пор, пока не насту-
пит запирание схемы совпадения. Запирание данной схемы происходит в момент
окончания селекторного импульса, который наступает при поступлении на вход
ГСЧИ
ФСИ
СИ СС ЦСИ
с выхода
ПРМ РЛС
Рис. 2.18. Структурная схема цифрового измерителя дальности до цели
tД
Рис. 2.17. Графическая
иллюстрация процесса
измерения дальности при
использовании в измерителе
индикаторного устройства на
электронно-лучевой трубке
48 Глава 2. Физические основы радиолокации
ФСИ сигнала, отраженного от цели с выхода ПРМ РЛС. Таким образом, на выхо-
де ЦСИ получаем цифровой код, соответствующий времени запаздывания tд сиг-
нала, отраженного от цели. Следовательно, если обозначить через Nд количество
СЧИ, поступивших на вход ЦСИ за время tд, то при известной величине периода
ТСЧ можно записать
t NT Д Д СЧ .
Отсюда дальность Д до цели
Д
Ct CN T Д Д СЧ
2 2
,
т. е. дальность Д до цели пропорциональна количеству счетных импульсов Nд.
Необходимо заметить, для того, чтобы измеренное значение дальности со-
ответствовало истинной дальности до цели, т. е. осуществлялся однозначный от-
счет данной величины, должно выполняться условие: t Д макс TИ , где tд макс — вре-
мя запаздывания сигнала, отраженного от цели, максимально удаленной от РЛС.
В противном случае РЛС будет измерять время запаздывания tд неод, которое не со-
ответствует истинной величине времени запаздывания tд ист сигнала, отраженного
от цели (рис. 2.20). Поэтому, выбирая период следования ТИ зондирующих им-
пульсов при заданной максимальной дальности Дмакс, следует исходить из условия
T t
Д
С И Д макс
макс 2 .
Однако при конструировании РЛС инженеры-разработчики в ряде случаев
заведомо нарушают данное условие, учитывая другие аспекты функционирова-
ния РЛС, например, связанные с обеспечением максимально возможной даль-
ности действия РЛС или обнаружением целей на фоне отражений от земной
uСИ(t)
uОТР(t)
uИЗЛ(t)
uСЧИ(t)
t
t
t
t
TСЧ
tД
TИ
Рис. 2.19. Временные диаграммы, соответствующие процессу измерения дальности
импульсным методом при цифровой реализации измерителя
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 49
поверхности. Но тогда принимаются специальные меры, позволяющие при
функционировании РЛС разрешить проблемы, связанные с неоднозначностью
измерения дальности.
При частотном методе дальность до цели измеряется по величине изменения
частоты излучаемых колебаний за время распространения их от РЛС до наблю-
даемой цели и обратно. При этом частота непрерывных частотных колебаний,
излучаемых в направлении цели, модулируется (изменяется) по какому-либо
периодическому закону. Чаще всего на практике используют три вида частот-
ной модуляции: симметричную линейную, несимметричную линейную и гармо-
ническую (синусоидальную) (рис. 2.21а, б, в). Для определенности будем считать,
что частота непрерывных зондирующих колебаний изменяется в соответствии
с законом линейной несимметричной модуляции (рис. 2.22), который еще на-
зывают также законом «несимметричной пилы». Характерными параметрами
t
б несимметричная линейная частотная модуляция
t
f(t)
f(t)
f(t)
a симметричная линейная частотная модуляция
t
в гармоническая (синусоидальная) частотная модуляция
Рис. 2.21. Характер изменения частоты зондирующего сигнала РЛС
при различных видах частотной модуляции
t
t
uОТР(t)
uИЗЛ(t)
TИ
tДист
tДнеод
Рис. 2.20. Графическая иллюстрация неоднозначности измерения дальности до цели
при импульсном методе ее измерения
50 Глава 2. Физические основы радиолокации
данного закона изменения частоты являются: f0 — средняя (центральная) час-
тота изменения; Fм — девиация частоты (диапазон изменения частоты от ми-
нимального ее значения до максимального); Tм — период частотной модуляции.
При отражении ЭМК от неподвижной цели частота отраженного сигнала также
будет изменяться по закону несимметричной пилы, однако во времени он будет
запаздывать на величину tд. Как видно из рис. 2.22, за время запаздывания tд
возникает различие между частотами излученного и принятого ЭМК, равное
f. При известных параметрах Fм и Tм закона несимметричной пилы, измеряя
величину f, можно найти время запаздывания tд (из подобия треугольников
ОАВ и ОСD), а зная его — дальность до цели
t
T
F
f д
м
м
,
Д
С
t
С T
F
f
2 2 д
м
м
. (2.5)
Как это видно из (2.5), измеряемая дальность до цели пропорциональна раз-
ностной частоте f. В то же время из рис. 2.22 видно, что пропорциональность
сохраняется до тех пор, пока tд Tм. Следовательно, для однозначности измере-
ния дальности Д до цели период Tм модуляции частоты зондирующего колеба-
ния должен удовлетворять условию
T t м дмакс .
Необходимо заметить, что если цель движется, то ее движение вносит ошиб-
ку в процесс измерения дальности при использовании частотного метода, кото-
рая обусловлена проявлением эффекта Доплера. В этом случае измеренная ве-
личина fизм не будет соответствовать истинному значению разности частот f,
0
t
f
ТM
А
В
С
D
2ТM
f
FM
fОТР fИЗЛ
f0
tД
Рис. 2.22. Характер изменения частоты излученного и принимаемого отраженного
сигнала от цели при измерении дальности до нее частотным методом
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 51
соответствующей дальности до цели. В этой связи, первоначально, необходимо
измерить доплеровское смещение частоты fдп принимаемого сигнала, а затем
проводить измерение дальности до движущейся цели в соответствии с выраже-
нием (2.5). Для устранения данного недостатка в РЛС, как правило, используют
несимметричный закон частотной модуляции зондирующих колебаний с пау-
зой между восходящими участками (рис. 2.23). Это позволяет в момент паузы
определить доплеровское смещение частоты fдп, а затем по известной величи-
не fдп и при наличии частотной модуляции — истинную величину f, а следова-
тельно, и дальность до цели.
При фазовом методе дальность до цели измеряется по разности фаз между
излученным иизл(t) и принимаемым ипрм(t) сигналами. Представим излученный
сигнал в виде
u t U t изл m ( ) cos( ) 0 0, (2.6)
где Uт — амплитуда сигнала; (0t + 0) — полная фаза сигнала, 0 = 2f0 — кру-
говая частота сигнала; 0 — начальная фаза сигнала.
Сигнал, принимаемый РЛС, будет отличаться от излученного амплитудой
и фазой. В этой связи представим принимаемый сигнал в виде
u t aU t t прм m д ( ) cos( ( ) ) 0 0, (2.7)
где а — коэффициент, учитывающий затухание амплитуды сигнала при рас-
пространении РВ, (0(t − tд) + 0) — полная фаза принимаемого сигнала; tд —
как и ранее, время запаздывания принимаемого сигнала по отношению к из-
лученному. Сравнивая разность фаз принимаемого и излученного сигналов,
получаем
0 0 0 0 0
2
( )Д
Д
С
.
Период модуляции
частоты
Период модуляции
Пауза частоты Пауза
fОТР
t
f
0
fИЗЛ
fДП
fизм
Рис. 2.23. Характер изменения частоты принимаемого отраженного сигнала от цели
в процессе измерения дальности при ее движении
52 Глава 2. Физические основы радиолокации
Из данного выражения, с учетом зависимости f0 = С/, следует, что даль-
ность до цели равна
Д
C
2 4 0
. (2.8)
В связи с тем, что изменение фазы
однозначно лишь в пределах от 0 до 2
(рис. 2.24), однозначное измерение дально-
сти Д, как это следует из (2.8), может быть
проведено при Д /2. И, следовательно,
максимальная однозначно измеряемая
дальность Дмакс = /2. Для увеличения диа-
пазона однозначных измерений дальности
до цели целесообразно использовать более
длинные волны. При измерении рассто-
яний до целей, которые превышают /2,
необходимо осуществлять подсчет целого
числа периодов изменения фазы за время tд,
т. е. 2k, k 0, 1, 2, , что делает
сложным само устройство измерения даль-
ности. Другая трудность при использовании фазового метода состоит в том, что
в активной радиолокации сложно учесть изменение фазы сигнала, обусловлен-
ное удалением (приближением) цели от РЛС, поэтому данный метод используется
главным образом в системах с активным ответом, когда работают с «прямыми»
(излучаемыми) сигналами, а не с отраженными.
Таким образом, при измерении расстояний до цели в радио-
локации используются три основных метода измерения даль-
ности до объекта наблюдения — амплитудный (импульсный),
частотный и фазовый.
Суть методов измерения дальности основывается на измере-
нии времени запаздывания tД сигнала, отраженного от цели,
относительно момента излучения зондирующего сигнала.
При известной величине времени запаздывания tД и постоян-
ной скорости распространения С радиоволн дальность до цели
в активной радиолокации оказывается равной половинному
произведению величин tД и С.
Информация о времени запаздывания закладывается в такие
параметры отраженного сигнала от цели, как амплитуда, час-
тота, фаза. Поэтому наименование метода измерения дально-
сти зависит от того, какой из параметров отраженного сигнала
используется для извлечения информации о времени запазды-
вания, а следовательно, и дальности до цели.
3/2 /2
2
r = 1
0
0
Рис. 2.24. Графическая иллюстрация
изменения фазы сигнала,
отраженного от точечной цели
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 53
Теперь рассмотрим методы измерения угловых координат целей.
2.2.2. Методы измерения угловых координат
Ранее отмечалось, что направление распространения РВ, двигаю-
щейся прямолинейно в однородной среде, определяется по пер-
пендикуляру (по нормали) к ее фазовому фронту. При распростра-
нении радио волны в свободном пространстве, отраженной
от точечной цели (излучаемой точечным источником), фазовый фронт имеет
вид сферы (рис. 2.25). На больших же расстояниях от цели фазовый фронт от-
раженной радиоволны, ввиду малости области ее взаимодействия с целью,
можно считать плоским (рис. 2.26). Положение нормали к данному фронту так-
же будет определять направление прихода радиоволны, измеряя которое, как
и ранее, можно определить угловые координаты цели. Часто процесс определе-
ния угловых координат целей называют пеленгацией.
Представим, что радиоволна, отраженная от цели, находящейся на большом
удалении от РЛС, воспринимается в месте приема антенной системой, состоя-
щей из двух элементов, расстояние между которыми равно d (рис. 2.26). Данное
расстояние обычно называют «базой». В радиолокации понятие «большое уда-
ление» определяется из неравенства: Д 2L2/, где L — протяженность апертуры
антенны РЛС (рис. 2.27), а , как и ранее, — длина радиоволны. Данное условие
определяет так называемую дальнюю зону РЛС. В рассматриваемой ситуации
(рис. 2.26.) роль L играет величина d.
Касательная ТЦ
к фазовому фронту
радиоволны
Д(t)
Нормаль
к фазовому фронту
радиоволны
Фазовый фронт
радиоволны
Рис. 2.25. Графическая иллюстрация определения направления распространения
волны, отраженной от точечной цели
54 Глава 2. Физические основы радиолокации
Из рис. 2.26 видно, что, измеряя разность времен запаздывания tд сигнала,
отраженного от цели, отсчитываемых в точках приема 1 и 2,
t t t
Д Д
C д д д
1 2
2 1 2 ( ),
можно определить направление прихода радиоволны (угол ), поскольку обыч-
но выполняется условие d Д Д 1 2 , , позволяющее чисто из геометрических со-
ображений записать
t
d
C д 2 sin. (2.9)
Из соотношения (2.9) следует, что
sin C
d
t
2
д
или
arcsin
C
d
t
2
д .
Разность времен запаздываний tд можно измерить
любым из следующих методов: фазовым, частотным, амп-
литудным или импульсным. Однако в радиолокации наибо-
лее широкое распространение получили фазовый и амп-
2
0
1
фазовый фронт
радиоволны ТЦ
Z
d
X
нормаль
Д1
Д2
Д
Рис. 2.26. Иллюстрация процесса измерения угловой координаты цели
при фазовом методе
L
Рис. 2.27. Графическая
интерпретация
понятия «апертура
антенны»
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 55
литудный методы. Рассмотрим суть измерения величины tд при использовании
данных методов.
При использовании фазового метода, как и ранее, будем полагать, что отра-
женный сигнал от цели воспринимается антенной системой, состоящей из двух
элементов с расстоянием между ними, равным d (рис. 2.26). В точках приема 1
и 2, как отмечалось ранее, определяются времена запаздываний tд1 и tд2 отражен-
ной РВ от цели. На основании данной информации формируется разность вре-
мен tд, которая связана с разностью фаз сигналов, воспринимаемых в дан-
ных точках приема, как
0 0 2
4
t f t d д д sin, (2.10)
где 0 = 2f0 — круговая частота радиоволны, f0 — несущая частота зондирую-
щих колебаний. При написании (2.10) были учтены соотношение (2.9) и взаи-
мозависимость между длиной волны и частотой колебаний f0.
Выражение (2.10) позволяет определить направление прихода отраженной
волны, отсчитывая угол ее прихода относительно нормали Z к середине базы
антенной системы, в виде
sin
4 d
(2.11)
или
arcsin
4 d
. (2.12)
Однозначный отсчет угловой координаты возможен лишь в пределах изме-
нения фазового сдвига от 0 до 2 (см. рис. 2.24). Подставляя в (2.10) величину
= 2, найдем минимальную величину базы d, при которой обеспечивается
однозначность измерения
dмин
макс
sin ( )
.
В то же время, однозначное соответствие значения синуса угла угловой ко-
ординате обеспечивается при изменении последней в пределах диапазона, рав-
ного , когда значение синуса угла меняется в пределах от +1 до −1 (рис. 2.28).
Отсюда минимальный размер базы dмин антенной решетки, позволяющий про-
водить однозначное измерение угла прихода, определяется как
dмин
макс мин
sin ( ) sin ( ) 2
. (2.13)
56 Глава 2. Физические основы радиолокации
Измерение разности фаз принимаемых сигналов в радиолокационных сис-
темах обычно осуществляется с помощью элемента, называемого фазовым де-
тектором (ФД). Сигнал на выходе ФД пропорционален косинусу разности фаз
сигналов, подаваемых на его вход:
u k UU фд фд 1 2cos , (2.14)
где kфд — коэффициент передачи фазового детектора; U1 и U2 — амплитуды сиг-
налов на выходе элементов 1 и 2 антенной решетки (рис. 2.26).
При практической реализации устройств фазовой пеленгации желатель-
но при = 0 иметь сигнал на выходе фазового детектора, также равный нулю
(рис. 2.29). Поэтому фаза одного из сигналов с выхода элементов антенной
решетки предварительно, до подачи на ФД, изменяется на 90°. Если провести
нормировку выходного сигнала ФД, т. е. разделить (2.14) на множитель k UU фд 1 2 ,
и учесть фазовый сдвиг одного из сигналов, равный 90°, получим
u
u
U
d
фд
фд
н
0
sin 2 sin
, (2.15)
где U k UU 0 1 2 фд .
0
1
–1
sin
/2 3/2
2
Рис. 2.28. Графическая иллюстрация изменения значений синуса угла при
варьировании последнего в диапазоне [0, 2]
–3/2 0
–1
1
–
–2 –/2 /2 3/2 2
uфд н
Рис. 2.29. Графическая иллюстрация выходного сигнала фазового
угломерного устройства
Уважаемый читатель, в Ваших руках находится научно-популярная книга «Ра-
диолокация для всех», с которой после ее первого издания успела познакомить-
ся довольно широкая аудитория. Данная книга ориентирована в первую очередь
на людей, которых интересуют научные знания как таковые, а также на молодое
поколение читателей, делающих свои первые профессиональные шаги. Автор-
ский коллектив книги в доступной форме («просто о сложном») изложил совре-
менные знания о радиолокации, в которые вошли:
теоретические основы радиолокации, по • зволяющие понять, как можно
получить информацию о координатах и параметрах движения наблюда-
емых объектов и определить их пространственное положение;
• принципы построения радиолокационных систем, показывающие, как
формируются и обрабатываются радиолокационные сигналы для того,
чтобы извлечь информацию о наблюдаемых объектах;
• конкретные типы радиолокационных систем, которые применяются
при решении как народно-хозяйственных задач, так и задач в военной
сфере.
Во вторую редакцию книги включены две новые главы. Одна из них посвя-
щена соединению двух областей знаний – радиолокации и фотоники. В данной
главе демонстрируется перспективное направление развития радиолокации,
в рамках которого использование положительных свойств фотоники позволяет
получить информационную систему совершенно нового уровня, обеспечиваю-
щую решение задач радиовидения.
Не менее интересна глава, посвященная истории возникновения и разви-
тия радиолокации. При этом исторические материалы рассматриваются приме-
нительно не только по отношению к нашей стране, но и к зарубежным странам.
Изложенный материал позволяет увидеть, как делались первые шаги в области
радиолокации, и узнать об основных этапах ее развития.
Надеемся, что новая редакция научно-популярной книги будет интересна
широкому кругу читателей. Ждем Ваших замечаний и предложений, направ-
ленных на улучшение содержания и качества книги.
С уважением,
член-корреспондент РАН,
доктор технических наук,
профессор В. Верба
Ââåäåíèå
Данная книга посвящена сравнительно молодой и интересной отрасли на-
уки и техники — радиолокации. Первые упоминания о возможности использо-
вания радиоволн для обнаружения различных объектов относятся к концу 90-х
годов XIX столетия. Однако серьезные исследования в данной области, направ-
ленные на создание практических радиолокационных устройств, начались су-
щественно позже — в конце 20-х — начале 30-х годов XX столетия.
Радиолокация с момента своего возникновения, в первую очередь, была на-
целена на решение военных задач — обнаружение объектов противника (целей),
измерение их координат и параметров движения для последующего своевре-
менного уничтожения данных объектов.
Однако в современных условиях без помощи радиолокации человек не мо-
жет, обходиться в своей повседневной жизни. Только помощь радиолокации,
может не столь очевидна для окружающих, как помощь, например, мобильной
связи или спутниковой навигации, поэтому о ней говорят, главным образом,
только специалисты.
Никто из тех, кто хоть раз летал самолетом в командировку или на отдых,
не задумывался, что обеспечение безопасности полета самолета в существен-
ной степени зависит от работы наземных радиолокационных систем, которые
контролируют его движение на трассе, при подходе к аэропорту, в районе аэро-
порта, при посадке самолета и его движении по летному полю.
Прогноз погоды и предупреждение об опасных метеорологических явлени-
ях, например таких, как смерчи, также не обходятся, а в ряде случаев и невоз-
можны без радиолокации. Единственным средством, которое может предупре-
дить экипаж воздушного лайнера о встрече с таким опасным метеообъектом,
как грозовое облако, является бортовой радиолокатор самолета.
Системы радиолокации являются незаменимыми помощниками человека
при наблюдении им окружающей его воздушной, наземной или морской обста-
новок в условиях, когда отсутствует оптическая видимость, — в условиях силь-
ной облачности, тумана, задымленности, в ночное время суток.
Спектр использования систем радиолокации в повседневной деятельности
человека достаточно широк. Это и медицина, и транспорт, и сельское хозяй-
ство, и военное дело. Сфера применения радиолокации этими областями не ог-
раничивается. Возможности ее использования достаточно широки.
В то же время, для понимания сути такой интересной и сложной области
науки и техники, как радиолокация, требуется достаточно большой объем зна-
ний, которые закладываются еще в средней школе и затем наращиваются при
обучении в высших технических учебных заведениях. Обычно дисциплины
по радиолокации в технических вузах студенты начинают изучать на последних
10 Введение
курсах, после освоения базовых дисциплин радиоинженера. Вот только некото-
рые из них: математический анализ, дифференциальное и интегральное исчис-
ление, теория вероятностей и математическая статистика, курс физики, радио-
технические цепи и сигналы, статистическая радиотехника, электродинамика
и распространение радиоволн. Это зачастую отпугивает молодых людей от ос-
воения радиолокации. В этой связи авторы попытались рассказать о радиоло-
кации простым языком, без излишнего насыщения материала математически-
ми формулами. Для понимания материала, представленного в книге, читателю
достаточно знаний по математике и физике, полученных в рамках программы
средней школы. Однако при этом в книге рассмотрены как физические, так
и теоретические основы радиолокации. Показаны традиционные области при-
менения радиолокационных систем. Обращается внимание на перспективные
направления применения радиолокации.
Изложение материала в книге ведется в форме беседы. Одним ее участни-
ком является специалист в области радиолокации — профессор кафедры ра-
диолокации, другим — студент, не знакомый с радиотехникой и ее областью
радиолокацией. Студент задает вопросы, а профессор на них отвечает.
Построение книги выполнено таким образом, что каждая глава может рас-
сматриваться как самостоятельная единица. Поэтому отдельно взятую гла-
ву можно читать, не опираясь на материал, рассматриваемый в других главах
книги. Каждая глава в книге завершается списком литературы, в котором ука-
зываются источники, позволяющие читателю при его желании более детально
изучить материал, рассмотренный в текущей главе.
Книга ориентирована, в первую очередь, на выпускников школ и студен-
тов первых курсов технических вузов, которые еще ищут себя в избранной про-
фессии. В то же время она может служить подспорьем и для студентов старших
курсов радиотехнических факультетов, обучающихся по специальности «Ра-
диоэлектронные системы и комплексы». Кроме того, книга будет полезна и тем,
кто проявляет интерес к получению новых знаний. Надеемся, что книга мо-
жет заинтересовать и тех, кто далек как от радиолокации, так и радиотехники
в целом.
Книга подготовлена коллективом авторов — членом-корреспондентом
РАН, доктором технических наук, профессором В. С. Вербой (руководитель ав-
торского коллектива и редактор материалов глав книги), докторами техниче-
ских наук, профессорами А. Р. Ильчуком, Б. Г. Татарским, доктором техниче-
ских наук К. Ю. Гавриловым и кандидатом технических наук А. А. Филатовым,
которые имеют богатый практический опыт преподавательской деятельности
в ведущих технических вузах страны и научно-исследовательской и опытно-
конструкторской работы на предприятиях, занятых разработкой перспектив-
ных радиолокационных комплексов и систем.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß
Î ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор! В средствах массовой информации час-
то упоминаются такие слова, как «радиолокационные системы»,
«радиолокационные комплексы». Не могли бы Вы пояснить, что это
за системы и, в первую очередь, что такое радиолокация?
1.1. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ðàäèîëîêàöèè è òèïû
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Начну с Вашего последнего вопроса. Термин «радиолокация» про-
исходит от двух латинских слов: «radiare», которое означает «излу-
чать», и «locatio» — «размещение, расположение». Сложение этих двух
слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается опреде-
лением местоположения различных объектов по излученным от них сигналам.
Это самое общее толкование слова «радиолокация». Более точной формулиров-
кой будет следующая. Под радиолокацией понимают область радиоэлектрони-
ки, которая занимается разработкой методов и технических устройств (систем),
предназначенных для обнаружения и определения координат и параметров
движения различных объектов с помощью радиоволн. С помощью радиолока-
ции обеспечивается решение широкого круга задач, связанных с обнаружением
воздушных и наземных объектов (целей), навигацией (обеспечением вождения)
различных судов (воздушных и морских), с управлением воздушным и мор ским
движением, управлением средствами ПВО, с обеспечением безопасности дви-
жения транспортных средств, с предсказанием возникновения погодных явле-
ний, а также с поражением наземных (морских) и воздушных объектов в любое
время суток и в любых метеоусловиях. Помимо этого, основываясь на принци-
пах радиолокации, решаются задачи, связанные с диагностикой организма че-
ловека. Как видите, спектр задач, решаемых радиолокацией, достаточно широк,
несмотря на то, что радиолокация сравнительно молодое научное направление.
Первые упоминания о возможности использования радиоволн для обнаруже-
ния различных объектов относятся ко второй половине 90-х годов XIX столе-
тия. В частности, годом рождения радиолокации в России считается 1897-й,
12 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
когда изобретатель радио Александр Степанович Попов, проводя свои экспери-
менты в открытом море по установлению связи с помощью беспроводного теле-
графа, обнаружил эффект отражения радиоволн. Было это так.
Летом 1897 года под руководством А. С. Попова в Финском заливе прово-
дились испытания радиоаппаратуры, изобретенного им беспроволочного те-
леграфа. В испытаниях принимали участие два морских судна — транспорт
«Европа» и крейсер «Азия». На данных судах были установлены приемная и пе-
редающая аппаратура, и между ними поддерживалась непрерывная радиосвязь.
Неожиданно между кораблями прошел линейный крейсер «Лейтенант Ильин».
Связь между кораблями прервалась. Через некоторое время, когда «Лейтенант
Ильин» прошел линию, соединяющую корабли, связь возобновилась. Это «за-
тенение» было замечено испытателями, и в отчете А. С. Попова по результатам
экспериментов было отмечено, что появление каких-либо препятствий между
передающей и приемной позициями может быть обнаружено как ночью, так
и в тумане. Так родилась радиолокация.
Таким образом, радиолокация — это область радиотехники, ко-
торая занимается разработкой методов и систем, предназна-
ченных для обнаружения различных объектов и измерения их
координат и параметров движения с помощью радиоволн.
Для того чтобы были понятны последующие мои объяснения, рассмотрим
основные термины и определения, которые используются в радиолокации.
Процесс просмотра заданной области пространства в целях получения ин-
формации о наличии в ней различных объектов и определения их параметров
с помощью радиоволн называют радиолокационным наблюдением. Объекты же
радиолокационного наблюдения называют радиолокационными целями или
просто целями. Примерами радиолокационных целей могут служить: корабли,
самолеты, танки, автомашины, люди, птицы и т. д.
Выполнение частной задачи радиолокационного наблюдения, например
обнаружения цели или измерения дальности до нее, осуществляется с помощью
одноименных радиолокационных устройств — радиолокационного обнаружите-
ля или радиолокационного измерителя дальности (радиолокационного даль-
номера) соответственно. Совокупность радиолокационных устройств, пред-
назначенных для решения какой-либо общей задачи, например обеспечения
перехвата воздушной цели либо поражения наземной цели и т. п., называется
радиолокационной системой (РЛС) или радиолокатором. Техническая реализа-
ция такой системы обычно именуется радиолокационной станцией, а в англо-
язычной литературе — радаром.
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 13
Источником информации о цели в радиолокации служит радиолокационный
сигнал, который может быть сформирован либо путем отражения (вторичного
излучения) электромагнитных колебаний (ЭМК) от цели, либо переизлучения
(ретрансляции) данных колебаний целью, либо излучения колебаний самой
целью. Электромагнитные колебания, которые используют для облучения цели
или заданной области пространства, обычно называют зондирующими колебани-
ями или зондирующим сигналом.
Операции, выполняемые в ходе радиолокационного наблюдения над при-
нимаемыми радиолокационными сигналами для извлечения информации о це-
лях, называют обработкой радиолокационных сигналов. Обработка является
составной частью процесса радиолокационного приема, который, помимо выше-
названной процедуры, включает также процедуры преобразования радиолока-
ционного сигнала, не связанные с извлечением информации о цели.
В зависимости от способов формирования радиолокационного сигнала раз-
личают следующие типы РЛС или методы радиолокации.
1. Активные РЛС, или активный метод радиолокационного наблюдения.
При данном методе с помощью РЛС формируется радиосигнал, который излу-
чается в направлении на цель (зондирующий сигнал). В результате взаимодей-
ствия зондирующего сигнала с целью образуется отраженный сигнал, который
поступает на вход приемника РЛС и затем обрабатывается в данном устрой-
стве в целях извлечения информации о наблюдаемой цели (рис. 1.1). Данный
метод радиолокационного наблюдения получил наибольшее распространение
в современных РЛС. Необходимо заметить, что при использовании активного
метода устройство формирования радиосигнала (передатчик) и приемник РЛС
находятся в одной точке пространства.
2. Активные РЛС с активным ответом, или активный метод радиолокации
с активным ответом. Как и в предыдущем случае, с помощью РЛС формиру-
ется радиосигнал, который излучается в направлении на цель (зондирующий
сигнал). Однако радиолокационный сигнал формируется не в результате от-
ражения излучаемых ЭМК целью, а за счет переизлучения их с помощью
РЛС
Цель
Излученный сигнал
Отраженный сигнал
Рис. 1.1. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
14 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
специального устройства, именуемого ответчиком-ретранслятором (рис. 1.2).
Данный метод широко используется в системах определения государственной
принадлежности наблюдаемых объектов, управления воздушным движением
(УВД), а также в радионавигационных системах, например в радиотехниче-
ских системах ближней навигации при определении дальности до радиомаяка
(устройство, излучающее радиосигналы, местоположение которого известно
наблюдателю).
3. Полуактивный метод радиолокации, или полуактивные РЛС. При исполь-
зовании данного метода радиолокационный сигнал формируется, как при ак-
тивном методе путем отражения зондирующих ЭМК от цели. Но передающее
устройство, формирующее зондирующие ЭМК (передатчик (ПРД) РЛС), и ус-
тройство, принимающее отраженные сигналы (приемник (ПРМ) РЛС), разне-
сены в пространстве (рис. 1.3). Данный метод, например, широко использует-
ся при наведении управляемых ракет класса «воздух — воздух» на поражаемые
воздушные цели, а также в многопозиционных РЛС, под которыми обычно
понимают совокупность разнесенных в пространстве нескольких устройств
РЛС
Цель
Переизлученный сигнал
Ретранслятор
Излученный сигнал
Рис. 1.2. Графическая иллюстрация принципа активной радиолокации
с активным ответом
Излученный сигнал
ПРД
Цель
Отраженный сигнал
ПРМ
Рис. 1.3. Графическая иллюстрация принципа полуактивной радиолокации
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 15
формирования зондирующих сигналов (передатчиков) и устройств приема от-
раженных сигналов (приемников).
4. Пассивная радиолокация, или пассивный метод радиолокационного наблю-
дения, основан на приеме собственного радиоизлучения целей. Отличительной
особенностью таких систем является наличие в их составе только приемного
устройства (приемника (ПРМ)), состоящего из приемной антенны и собственно
приемника (рис. 1.4). Отсутствие необходимости формирования зондирующе-
го колебания делает такие системы высокопомехозащищенными. Данные РЛС
широко применяются при пеленгации радиоизлучающих систем противника,
например РЛС, входящих в систему управления ПВО противоборствующей
стороны.
Собственное
излучение цели
Цель
ПРМ
Рис. 1.4. Графическая иллюстрация принципа пассивной радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы могут быть ак-
тивными, полуактивными, активными с активным ответом
и пассивными.
В ходе радиолокационного приема поступивших на вход ПРМ РЛС элект-
ромагнитных колебаний от цели, как правило, необходимо решить следующие
задачи:
1) обнаружить цель, т. е. установить факт наличия полезного сигнала s(t),
отраженного от цели, в принимаемом колебании у(t). Прием данного колеба-
ния у(t), как правило, сопровождается различного рода помехами n(t), природа
происхождения которых может быть самой разнообразной (внутренний шум
приемника РЛС, отражения от облака пассивных отражателей, искусственно
организованные помехи и т. п.). Помехи относятся к категории так называе-
мых случайных сигналов, предсказать изменение которых во времени заранее
невозможно. В этой связи при действии помех заранее неизвестно, есть ли по-
лезный сигнал, например отраженный от цели, в принятом приемником РЛС
16 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
колебании. При отсутствии помех любой сигнал, который появляется на входе
приемника РЛС, будет восприниматься как полезный. В этой связи при реше-
нии задачи обнаружения, как, впрочем, и всех перечисленных выше, использу-
ется специальный математический аппарат, основанный на теории вероятнос-
тей и математической статистике;
2) разрешить радиолокационные цели, т. е. раздельно обнаружить несколь-
ко одновременно существующих в принимаемом колебании у(t) отраженных
от целей сигналов с близкими, но различающимися параметрами, или изме-
рить значения параметров данных сигналов.
Разрешение имеет смысл при наличии нескольких целей в зоне наблюдения
РЛС; 3) измерить значения параметров полезного сигнала s(t, ) в целях получе-
ния информации о координатах и параметрах движения целей. Такими пара-
метрами чаще всего являются время запаздывания tд, доплеровское смещение
частоты fдп и направление прихода принимаемой электромагнитной волны
(ЭМВ), по которому оцениваются угловые координаты наблюдаемой цели.
Дополнительными задачами радиолокационного наблюдения являют-
ся различение и распознавание целей. Если решение первой задачи позволяет
определить один из классов целей (воздушные, морские или наземные цели),
то решение второй позволяет определить тип цели в заданном классе (самолет,
вертолет и т. д.). Решение данных задач основывается на анализе всего объема
информации, который содержится в радиолокационном сигнале. Эффективное
решение указанных задач возможно при использовании всех характеристик,
описывающих принимаемые радиолокационные сигналы, — временных, про-
странственных и поляризационных.
Все существующие РЛС можно разделить на следующие основные группы.
В первую группу входят РЛС класса «воздух — воздух», основной задачей кото-
рых является обнаружение, измерение координат и параметров движения воз-
душных целей. К данным РЛС относятся, например, радиолокационные стан-
ции перехвата и прицеливания, устанавливаемые на самолетах-истребителях
(фото 1.1), либо авиационные РЛС дальнего радиолокационного обнаружения
воздушных целей (фото 1.2).
Вторую группу составляют РЛС класса «воздух — поверхность». Данные РЛС
служат для получения радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверх-
ности либо информации о координатах и параметрах движения наземных целей.
К данным системам относятся, например, РЛС обзора Земли (фото 1.3), которые
обеспечивают получение радиолокационного изображения поверхности Зем-
ли и информации о координатах и параметрах движения наземных целей, либо
РЛС обеспечения безопасности полетов на малых и предельно малых высотах,
которые позволяют получать информацию о структуре рельефа подстилающей
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 17
Фото 1.2. Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения
Фото 1.1. РЛС перехвата и прицеливания самолета-истребителя
Фото 1.3. РЛС обзора Земли
18 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
поверхности Земли. В эту группу входят также и РЛС, обеспечивающие радиоло-
кационную разведку наземных объектов и наблюдение малоразмерных наземных
целей.
В третью группу входят РЛС класса «поверхность — воздух», основной задачей
которых, как и радиолокаторов первой группы, является обнаружение, измере-
ние координат и параметров движения воздушных целей. Однако местом уста-
новки таких систем являются либо поверхность Земли, либо объекты наземной
и морской техники (подвижные или стационарные). Типичным представителем
таких систем являются РЛС обнаружения, входящие в системы управления воз-
душным движением (УВД) (фото 1.4) или противовоздушной обороны (ПВО)
страны, а также РЛС, призванные для наблюдения за метеорологической обста-
новкой (фото 1.5).
Четвертую группу составляют РЛС класса «поверхность — поверхность», ос-
новной задачей которых является обнаружение, измерение координат и пара-
метров движения наземных целей либо воздушных объектов при перемещении
последних по поверхности Земли. Типичным представителем таких систем яв-
ляются, например, РЛС обзора летного поля (фото 1.6), которые входят в систе-
мы управления движением самолетов при рулении их по летному полю (взлет-
но-посадочным полосам (ВПП) и рулежным дорожкам).
Из приведенных примеров РЛС заявленных классов следует, что на первом
месте в названии класса стоит слово, обозначающее место установки радиоло-
катора, а на втором — слово, определяющее объект, по которому работает РЛС.
В частности, например, если речь идет о классе РЛС «поверхность — воздух», то
это значит, что РЛС находится на земной поверхности, а объектами ее наблюде-
ния являются воздушные цели.
Фото 1.4. «Лира Т» — обзорный трассовый радиолокатор
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 19
Кроме отмеченных, существует еще одна группа РЛС, которые строятся
по многофункциональному принципу и объединяют в себе решение задач, напри-
мер, возлагаемых как на радиолокационные системы класса «воздух — воздух»,
так и на системы класса «воздух — поверхность». Другими словами, данные РЛС
объединяют в себе функции радиолокаторов различных классов. Такими, на-
пример, являются бортовые РЛС, устанавливаемые на современные самолеты-
истребители (тактические истребители) (фото 1.7).
Фото 1.6. Радиолокатор обзора летного поля «Атлантика Э3»
Фото 1.5. Метеорологический радиолокатор (метеорадиолокатор) МРЛ -5Б
20 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
В то же время необходимо отметить, что, несмотря на проведенное выше
разделение РЛС на классы, существуют специальные РЛС, которые стро-
ятся под решение специфических задач и под данное разделение на классы
не подпадают. Например, РЛС, решающие задачи диагностики состояния ор-
ганизма человека, либо наблюдения объектов, скрытых за преградами, либо
наблюдения космических объектов и т. п. Но в целом приведенная класси-
фикация позволяет разделить все существующие РЛС по функциональному
предназначению.
В ряде случаев в состав бортовых систем технического средства (носителя)
входят несколько РЛС, которые решают одну общую задачу. В этом случае сово-
купность РЛС образует радиолокационный комплекс. Иногда под радиолокацион-
ным комплексом понимают совокупность из РЛС и других технических систем
или устройств, которые обеспечивают решение задачи, возлагаемой на РЛС.
В частности, такой совокупностью может быть РЛС и вычислительная система,
обеспечивающая процесс обработки радиолокационного сигнала.
Таким образом, радиолокационные системы делятся на пять
больших классов: РЛС класса «воздух — воздух», РЛС класса
«воздух — поверхность», РЛС класса «поверхность — воздух»,
РЛС класса «поверхность — поверхность» и многофункциональ-
ные РЛС.
По месту установки РЛС и ее составных частей различают однопозиционные
и многопозиционные РЛС. Под однопозиционными понимают РЛС, передатчик
Фото 1.7. Многофункциональная РЛС «Копье-21»
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 21
и приемник которых располагаются в одной точке пространства. Если данное
условие не выполняется, то РЛС относят к разряду многопозиционных. При по-
строении РЛС по многопозиционному принципу количество передающих
и приемных позиций может быть разным (рис. 1.5). Однако если принцип дейс-
твия многопозиционной РЛС основан на активном методе радиолокации, то
в составе данной системы должна быть как минимум одна передающая позиция
(рис. 1.6). Если в основу работы многопозиционной РЛС положен пассивный
метод радиолокации, то в этом случае все ее элементы представляются в виде
приемных позиций, разнесенных в пространстве (рис. 1.7). Позиции, в которых
располагаются элементы многопозиционной РЛС, могут быть неподвижными
(стационарными) и подвижными, т. е. располагаться на подвижных носителях
или, как пишут в англоязычной литературе, на платформах.
В случае, когда в состав многопозиционной РЛС входят только два элемента
(позиции), ее называют двухпозиционной. Если при этом позиции, в которых
расположены элементы РЛС, являются стационарными, то такую двухпозици-
онную РЛС часто называют бистатической.
Многопозиционная РЛС может быть образована и из совокупности при-
емо-передающих элементов, располагаемых в каждой из разнесенных позиций
(рис. 1.8), либо из совокупности разнесенных в пространстве отдельных РЛС
(рис. 1.9).
Цель
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
передающая
позиция
Рис. 1.5. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности передающих и приемных позиций
22 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.7. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных позиций
Цель
приемная
позиция
приемная
позиция
передающая
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
приемная
позиция
Рис. 1.6. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемных и одной передающей позиций
1.1. Основные понятия радиолокации и типы радиолокационных систем 23
Цель РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
Рис. 1.9. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности радиолокационных станций
Цель
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
приемо-
передающая
позиция
Рис. 1.8. Многопозиционная радиолокационная система,
состоящая из совокупности приемо-передающих позиций
24 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Таким образом, радиолокационные системы различных клас-
сов могут быть построены как на однопозиционных, так и мно-
гопозиционных принципах.
Спасибо, уважаемый профессор! Теперь я понял, что такое РЛС и ка-
кие задачи она решает. Однако хотелось бы понять, существуют ли
различия в работе РЛС, относящихся к одному классу?
1.2. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ðàäèîëîêàöèîííûõ ñèñòåì
Если говорить коротко, ответ положительный — да, существуют.
Но для того, чтобы понять, в чем это различие, необходимо рас-
смотреть, что собой представляет радиолокационный сигнал.
Первоначально рассмотрим зондирующий сигнал. В самом
простейшем виде его можно представить, как
s(t ) U(t )cos2 f t 0 , (1.1)
где U(t) — огибающая сигнала или, другими словами, функция, которая опи-
сывает изменение во времени амплитуды сигнала; 2f0t — фаза зондирующего
сигнала; f0 — несущая частота сигнала; t — текущее время.
В зависимости от того, как изменяется зондирующий сигнал во времени, он
может быть непрерывным или импульсным.
При импульсной форме зондирующего сигнала он представляется в виде
чередующихся во времени отрезков колебаний вида (1.1), которые называют им-
пульсами, разделенных пустыми отрезками (рис. 1.10). Форма импульсов может
быть различной. В частности, на рис. 1.10а представлен зондирующий сигнал
в виде последовательности из прямоугольных радиоимпульсов, а на рис. 1.10б —
в виде последовательности радиоимпульсов с колоколообразной огибающей.
Расстояние по оси времени между началом одного импульса до начала после-
дующего называют периодом следования импульсов и обозначают как ТИ. Про-
тяженность же по оси времени отдельного импульса называют длительностью
импульса и обозначают как tИ. Отношение периода следования импульсов ТИ
к их длительности tИ называют скважностью импульсов, которая показывает,
сколько целых импульсов заданной длительности укладывается во временной
интервал, равный их периоду следования. Кроме этого, каждый импульс, так
же как и сигнал вида (1.1), описывается такими параметрами, как огибающая,
фаза и несущая частота. Причем, как правило, такие параметры, как огибающая
1.2. Отличительные особенности функционирования радиолокационных систем 25
и несущая частота, являются одинаковыми для каждого импульса зондирую-
щего сигнала. На рис. 1.11 представлены огибающие отдельных импульсов, об-
разующих зондирующий сигнал, в виде прямоугольной последовательности
радиоимпульсов (рис. 1.11а) и последовательности радиоимпульсов с колоколо-
образной огибающей (рис. 1.11б). Кроме того, на рисунках показаны пиковые
(максимальные) значения А0 амплитуд отдельных импульсов, входящих в по-
следовательность зондирующих сигналов.
U(t) U(t)
a б
A0
A0
tИ
tИ t t
Рис. 1.11. Огибающие радиоимпульсов: прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) форм
s(t)
s(t)
ТИ
a
б
A0
tИ
ТИ
t
A0
tИ
Рис. 1.10. Последовательности радиоимпульсов с прямоугольной (а)
и колоколообразной (б) огибающими
26 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
При непрерывной форме зондирующего сигнала он представляет собой ко-
лебание, которое по оси времени меняется непрерывно. Процесс изменения его
во времени ограничивается только временем работы передатчика РЛС. Данный
сигнал можно описать выражением (1.1), полагая, что временной интервал из-
менения данного сигнала стремится к бесконечности.
В свою очередь, РЛС, которая использует импульсные зондирующие сиг-
налы, называется импульсной РЛС или РЛС, работающей в импульсном режиме
излучения. РЛС, использующая непрерывные зондирующие сигналы, называ-
ется непрерывной РЛС или РЛС, работающей в непрерывном режиме излучения.
На практике наибольшее распространение получили РЛС, работающие в им-
пульсном режиме излучения.
Сигнал, который поступает на вход РЛС (радиолокационный сигнал), от-
личается от излученного (зондирующего), в первую очередь, своей амплитудой
и временем его появления относительно момента излучения сигнала s(t). Раз-
ность данных времен обычно называют временем запаздывания радиолокаци-
онного сигнала и обозначают как tд. Учитывая данные замечания, сигнал, дей-
ствующий на входе приемника РЛС, можно записать как
s(t ) U(t t )cos f (t t ) д д 2 0 , (1.2)
где — коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды принимаемо-
го сигнала по сравнению с излученным за время распространения радиоволн
от РЛС к цели и обратно.
Как видно из (1.2), информацию о цели несет в себе как огибающая сигна-
ла, так и его фаза. В зависимости от того, используется или нет при обработке
принимаемого сигнала информация об изменении его фазы, все современные
РЛС делятся на две большие группы — когерентные и некогерентные. В коге-
рентных РЛС при обработке радиолокационного сигнала используется инфор-
мация, содержащаяся как в фазе сигнала, так и в его огибающей. В РЛС, кото-
рые относятся к некогерентному типу, обработка радиолокационного сигнала
ведется без учета изменения его фазы. В этой связи в рамках одного класса РЛС
могут быть построены как по когерентному, так и некогерентному принципам.
В частности, при использовании импульсных РЛС на практике находят приме-
нение радиолокаторы, работающие с некогерентными и когерентными после-
довательностями радиоимпульсов и решающие одинаковые задачи.
Необходимо заметить, что когерентные РЛС по отношению к некогерент-
ным обладают большими информационными возможностями, поскольку ис-
пользуют всю информацию о цели, заключенную в радиолокационном сигнале.
Однако к данным РЛС предъявляют более жесткие требования по стабильности
работы ее приемо-передающих элементов, чем это имеет место при построении
РЛС некогерентного типа.
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 27
Из вышесказанного следует, что радиолокационные системы
одного класса могут быть как когерентными, так и некогерент-
ными. Когерентные РЛС обладают перед некогерентными пре-
имуществами по объему извлекаемой информации из прини-
маемого сигнала от цели, однако уступают некогерентным РЛС
по сложности построения.
Уважаемый профессор! Из Вашего объяснения следует, что сущест-
вуют различные типы радиолокационных систем. В то же время хоте-
лось понять, какие типовые элементы должны присутствовать в РЛС
любого типа и какие функции на них возлагаются?
1.3. Òèïîâàÿ ñòðóêòóðà ðàäèîëîêàöèîííîé ñèñòåìû
Состав элементов радиолокационной системы, конечно же, зависит
от назначения системы и задач, решение которых возлагается
на нее. Тем не менее можно рассмотреть некоторую обобщенную
структуру РЛС и рассказать о предназначении элементов такого ра-
диолокатора. Структурная схема такой гипотетической РЛС представлена
на рис. 1.12 и относится к радиолокатору, в основу работы которого положен ак-
тивный метод радиолокации при импульсном режиме излучения. На данной
структурной схеме представлены шесть основных элементов типовой РЛС, ко-
торые будут иметь место вне зависимости от принципов ее построения, — пере-
датчик (ПРД), приемник (ПРМ), антенная система (АНТ), антенный переклю-
чатель (АП), система управления и синхронизации, система обработки.
Передатчик или передающий тракт РЛС обеспечивает формирование зон-
дирующего радиосигнала, усиление его до требуемого уровня мощности и пере-
дачу в антенную систему (антенну).
Антенна в импульсном радиолокаторе работает как на передачу (режим из-
лучения зондирующего сигнала), так и на прием (режим приема сигнала, отра-
женного от цели).
В режиме передачи антенна обеспечивает преобразование зондирующего
радиосигнала, поступившего от ПРД, в радиоволну и излучение зондирующего
колебания в направлении на цель.
В режиме приема антенна обеспечивает преобразование отраженной от цели
радиоволны в радиосигнал с последующей передачей его в приемник.
Переключение антенны из режима излучения в режим приема обеспечи-
вается с помощью антенного переключателя, который управляется сигналами
системы управления и синхронизации.
28 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
Приемник РЛС обеспечивает предварительное преобразование принятого
сигнала. Во-первых, осуществляет доведение уровня принятого сигнала до не-
обходимого значения для успешной работы последующих узлов радиолокатора.
Во-вторых, осуществляет преобразование (чаще уменьшение) несущей частоты
принимаемого сигнала для снижения требований к элементам системы обра-
ботки. В-третьих, обеспечивает предварительную селекцию (выделение) полез-
ного сигнала (сигнала, отраженного от цели) из сигналов помех, которые дей-
ствуют одновременно с полезным сигналом.
После предварительного преобразования в приемнике сигнал поступает
в систему обработки, в которой решаются задачи по выделению из принятого
сигнала информации о цели. Система обработки в современных РЛС представ-
ляет собой цифровую вычислительную систему, подобную обычному компью-
теру или совокупности компьютеров. Поэтому данный элемент РЛС часто еще
называют цифровой системой обработки.
На рис. 1.12 операции, выполняемые системой обработки для решения кон-
кретной задачи радиолокационного приема, условно объединены в канал, что-
бы подчеркнуть тот факт, что данную операцию можно выполнить отдельным,
Канал обнаружения
Канал измерения
дальности
Канал измерения
скорости
Канал измерения
угловых координат
Канал распознавания
Канал формирования
радиолокационного
изображения
АНТ АП ПРД
ПРМ
Система
управления и
синхронизации
Система обработки
да
нет
Д
V
г
в
тип
класс
РЛИ
Рис. 1.12. Структурная схема гипотетической РЛС
1.3. Типовая структура радиолокационной системы 29
конструктивно исполненным устройством. Как видно из схемы на рис. 1.12,
в составе системы обработки имеются шесть каналов — обнаружения, измере-
ния дальности, измерения скорости, измерения угловых координат, распозна-
вания и формирования радиолокационного изображения (РЛИ).
В цифровой системе обработки каждый канал реализуется с помощью спе-
циально разработанной совокупности алгоритмов, конкретное содержание
которых отражает специфику радиолокатора. Вся совокупность алгоритмов,
закладываемая в цифровую систему обработки, называется программным
обеспечением.
Каждый из представленных на схеме рис. 1.12 каналов системы обработки
обеспечивает решение задач, соответствующих своему наименованию. Так, ка-
нал обнаружения обеспечивает установление факта наличия цели (целей) в зоне
ответственности РЛС. Каналы измерения дальности, скорости и угловых коор-
динат обеспечивают определение дальности Д, скорости V и угловых координат
г, в обнаруженных целей в горизонтальной (в плоскости азимута) и вертикаль-
ной (в плоскости угла места) плоскостях соответственно. Канал распознавания
служит для выявления классов и типов наблюдаемых объектов. Канал форми-
рования радиолокационного изображения служит для получения РЛИ земной
поверхности, которое представляет собой двумерную плоскую картину, чаще
всего в координатах «дальность — азимут», распределения интенсивности от-
раженного сигнала от объектов на поверхности Земли и самой земной поверх-
ности в пределах участка поверхности Земли, облучаемой РЛС.
Каждая их рассмотренных групп алгоритмов (каналов) функционирует
в тесной взаимосвязи друг с другом. В частности, установление факта наличия
в зоне ответственности РЛС цели важно, но бессмысленно без определения ее
местоположения в пространстве. А данную информацию можно получить толь-
ко в том случае, если будут известны такие параметры цели, как дальность до нее
и ее угловые координаты. В то же время необходимо отметить, что количество
каналов зависит от предназначения РЛС. Ряд из них может отсутствовать, на-
пример, каналы распознавания и формирования РЛИ, если на РЛС данные за-
дачи не возлагаются.
Конечно же, в реально существующей РЛС количество выполняемых опе-
раций и соответствующее им число каналов больше, чем рассмотрено в схеме
на рис. 1.12. Однако мы сейчас говорим об общих принципах построения РЛС
и не ставим перед собой задачу подробно рассказать обо всех особенностях, свя-
занных с функционированием радиолокатора.
Необходимо заметить, совокупность алгоритмов, закладываемых в систе-
му обработки, определяет возможности РЛС и качество решения задач радио-
локационного приема радиолокатором. Часто говорят, что система обработки
определяет «интеллект» РЛС. Хотя термин «интеллект», конечно же, применим
30 Глава 1. Общие сведения о радиолокации
только к человеку. Однако современные технологии позволяют создавать техни-
ческие системы, например, роботы, обладающие искусственным интеллектом.
Современный уровень разработки алгоритмов в РЛС таков, что термин «искус-
ственный интеллект» вполне применим и к современным радиолокаторам.
Управление рассмотренными элементами РЛС осуществляется системой
управления и синхронизации. Данная система является своеобразным диспет-
чером, который обеспечивает:
своевременное переключение каналов пе • редачи и приема сигналов для
формирования зондирующих колебаний в направлении на цель и обес-
печения приема отраженных от нее сигналов;
• синхронную работу (синхронизацию) во времени всех элементов РЛС
путем формирования специальных синхронизирующих сигналов и вы-
деления необходимых временных интервалов на выполнение той или
иной процедуры в ходе формирования зондирующих сигналов и обра-
ботки отраженных сигналов от цели;
• формирование специальных сигналов и опорных колебаний для обеспе-
чения работы передающих и приемных каналов РЛС;
• управление системой обработки в целях своевременного включения
в работу каналов (алгоритмов), обеспечивающих решение задач обнару-
жения и измерения координат и параметров движения целей, распозна-
вания целей, а также формирования РЛИ;
• управление параметрами режимов излучения и приема РЛС в целях со-
здания условий для обеспечения высокого качества решения текущей
задачи радиолокационного наблюдения.
Таким образом, подводя итог обсуждению, можно сказать, что
современный радиолокатор является сложным техническим
устройством, при реализации которого используются все сов-
ременные технологии, которые касаются как конструктивного
исполнения элементов радиолокатора, так и его программно-
го обеспечения. Программное обеспечение, закладываемое
в систему обработки, определяет искусственный интеллект
РЛС, и определяет возможности радиолокатора и качество ре-
шения возлагаемых на него задач.
Ëèòåðàòóðà
1. Бакулев П. А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. — М.: Радио-
техника, 2015.
Литература 31
2. Дудник П. И., Герасимов А. А., Ильчук А. Р., Кондратенков Г. С., Татар-
ский Б. Г. Авиационные радиолокационные комплексы и системы / Под ред.
П. И. Дудника. — М.: Изд. ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 2006.
3. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник.
Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я. Д. Ширмана. — М.: Радиотехника,
2007.
4. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехни-
ка» / Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; под ред. Ю. М. Ка-
заринова. — М.: Высшая школа, 1990.
5. Радиолокационные системы / Под ред. А. И. Николаева. — М.: Издательство
МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2016.
6. Верба В. С. Обнаружение наземных объектов. Радиолокационные системы
обнаружения и наведения воздушного базирования. — М.: Радиотехника,
2007.
ÃËÀÂÀ 2
ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ
ÎÑÍÎÂÛ
ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ
Уважаемый профессор, не могли бы Вы рассказать, на каких физи-
ческих основах базируется радиолокация?
Как и любое направление развития науки и техники, радиолока-
ция базируется на некоторых физических основах, позволяющих
обеспечивать решение стоящих перед ней задач, а именно: обнару-
живать различного рода объекты и определять координаты и пара-
метры их движения с помощью радиоволн. Традиционно все объекты наблю-
дения в радиолокации называются целями, поскольку первоначально
радиолокация рассматривалась как прикладная наука, способствующая авто-
матизации и эффективности решения только военных задач по обнаружению
и измерению координат объектов противника.
Использование радиоволн (РВ) или, другими словами, электромагнит-
ных колебаний (ЭМК) (рис. 2.1а), частотный диапазон которых сосредоточен
в пределах от 3 кГц до 300 ГГц (рис. 2.1б), определяет основные преимущества
радиолокационных систем (РЛС) и устройств (РЛУ) перед другими системами
локации (оптическими, инфракрасными, ультразвуковыми). В первую очередь,
это обусловлено тем, что закономерности распространения РВ в однородной
среде достаточно стабильны как в любое время суток, так и в любое время года
и, следовательно, изменение условий оптической видимости, обусловленных
появлением дождя, снега, тумана или изменением времени суток, не нарушает
работоспособность РЛС и РЛУ.
Закономерности распространения РВ в однородной среде до-
статочно стабильны в любое время суток и в любое время года.
Физические основы радиолокации 33
a
H
E(t)
H(t)
t
E
0
Радиоволны Оптические волны
3 кГц
(100 км)
300 ГГц
(1 мм)
3 × 103 ГГц
(0,1 мм)
3 × 106 ГГц
(0,1 мкм)
Диапазоны волн Диапазоны частот
Мириаметровые,
100…10 км
Очень низкие
частоты (ОНЧ),
3…30 кГц
Километровые,
10…1 км
Низкие частоты
(НЧ), 30…300 кГц
Гектометровые,
1000…100 м
Средние частоты
(СЧ), 300…3000 кГц
Декаметровые,
100…10 м
Высокие частоты
(ВЧ), 3…30 МГц
Метровые,
10…1 м
Очень высокие
частоты (ОВЧ),
30…300 МГц
Дециметровые,
100…10 см
Ультравысокие
частоты (УВЧ),
300…3000 МГц
Сантиметровые,
10…1 см
Сверхвысокие
частоты (СВЧ),
3…30 ГГц
Миллиметровые,
10…1 мм
Крайне высокие
частоты (КВЧ),
30…300 ГГц
Диапазоны волн Диапазоны частот
Инфракрасные
лучи,
0,1 мм … 0,76 мкм
3 × 1012…3,95 × 1014 Гц
Видимые лучи,
0,76…0,38 мкм (3,95…7,89) × 1014 Гц
Ультрафиолетовые
лучи,
0,38…0,1 мкм
7,89 × 1014…3 × 1015 Гц
Рис. 2.1. К пояснению понятия «радиоволна»: пространственное представление
электромагнитной волны (а) и сравнительная таблица диапазонов длин волн
(диапазонов частот) электромагнитных колебаний (б)
34 Глава 2. Физические основы радиолокации
Уважаемый профессор, а не могли бы Вы рассказать, каковы основ-
ные закономерности распространения радиоволн, позволяющие
проводить радиолокационные измерения и обнаруживать цели?
2.1. Îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ
ðàäèîâîëí, èñïîëüçóåìûå â ðàäèîëîêàöèè ïðè
îáíàðóæåíèè öåëåé è èçìåðåíèè èõ êîîðäèíàò
Основными закономерностями распространения РВ, которые поз-
воляют обнаруживать объекты в зоне радиолокационной ответ-
ственности (в области пространства, которая определена для про-
смотра радиолокационной системе или устройству) и измерять
координаты и параметры их движения, являются следующие:
• постоянство скорости и прямолинейность распространения
радиоволн в однородной среде. При проведении инженер-
ных расчетов скорость С распространения радиоволн прини-
мают равной 3 · 108 м/с;
• способность РВ отражаться от различных областей простран-
ства, электрические или магнитные параметры которых (элек-
трическая проводимость или магнитная проницаемость) отли-
чаются от аналогичных параметров среды распространения;
• изменение частоты fпрм принимаемого сигнала по отношению
к частоте излученного сигнала при относительном движении ис-
точника излучения и приемника радиолокационного сигнала.
Последнее свойство радиоволн в радиолокации называют эффектом
Доплера по имени австрийского ученого Кристиана Андреаса Доплера (1803–
1853 гг.), который в 1842 году теоретически обосновал зависимость частоты
колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления дви-
жения источника волны и наблюдателя относительно друг друга. В 1848 году
эффект Доплера был уточнен французским физиком Арманом Физо (1819–
1896 гг.), а в 1900 году — экспериментально проверен русским ученым Арис-
тархом Белопольским (1854–1934 гг.) на лабораторной установке. В этой связи в
научно-технической литературе наименование данного эффекта можно встре-
тить под названием «эффект Доплера — Белопольского».
Первое из указанных свойств РВ лежит в основе измерения расстояний
(дальности) до объекта (цели) и определения его угловых координат.
Второе свойство позволяет обнаруживать объекты, которые находятся
в зоне видимости (зоне радиолокационной ответственности) РЛС.
Третье свойство позволяет измерять радиальную скорость движения цели.
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 35
при обнаружении целей и измерении их координат
Для проведения процедуры измерения расстояния до цели РЛС из-
лучает в ее направлении зондирующий сигнал (рис. 2.2). Данный
сигнал доходит до объекта, отражается от него и возвращается об-
ратно к РЛС. Поскольку, как отмечалось ранее, скорость С распро-
странения радиосигнала (радиоволны) в однородной среде постоянная, то для
определения дальности до объекта необходимо зафиксировать момент излуче-
ния t0 зондирующего сигнала и момент приема t1 отраженного сигнала от цели.
В результате разность (t1 − t0) позволяет определить время, в течение которого
радиоволна проходит путь от РЛС к цели и обратно, который равен 2Д, где Д —
дальность до объекта (расстояние между РЛС и целью). Разность времен (t1 − t0)
в радиолокации называют временем запаздывания и обозначают как tд. В резуль-
тате при известной величине tд можно составить равенство
2Д = Сtд,
из которого следует, что дальность до объекта (цели) равна
Д = Сtд/2. (2.1)
Процесс измерения дальности до объекта наблюдения с помощью РЛС можно
сравнить с процессом измерения длины какого-либо предмета с помощью обык-
новенной линейки (рис. 2.3). Начало шкалы линейки в этом случае должно соот-
ветствовать точке расположения РЛС, а значение шкалы линейки, которое совпа-
дет с точкой расположения цели, будет соответствовать расстоянию (дальности)
до объекта наблюдения. Точность измерения дальности будет определяться ценой
РЛС
Цель
tИ
t
TИ
Sизл(t)
Sотр(t)
Sизл(t)
Sотр(t)
t = t0 t = t1
tД
t
Рис. 2.2. Измерение дальности до цели с помощью радиоволн
36 Глава 2. Физические основы радиолокации
деления l шкалы линейки. Чем меньше величина l, тем выше точность изме-
рения дальности. Аналогом цены деления l шкалы линейки служит показатель
РЛС, именуемый разрешающей способностью ее по дальности и обозначаемый
как Д. Данный показатель характеризует минимальное расстояние между двумя
близко расположенными объектами, при котором сигналы, отраженные от дан-
ных объектов и воспринимаемые приемником РЛС, будут на его выходе наблю-
даться раздельно (рис. 2.4). Если все расстояние «РЛС — цель» разбить на элемен-
ты Д, то получим некоторый аналог линейки с ценой шкалы, равной величине Д
(рис. 2.5). Особенностью такой линейки будет ее виртуальность и длина, которая
должна быть не меньше, чем дальность действия РЛС. В зависимости от предна-
значения РЛС дальность ее действия, а следовательно, и длина виртуальной ли-
нейки, может составлять от единиц километров до нескольких сотен километров.
объект
длина объекта
l
Рис. 2.3. Объяснение процесса измерения длины объекта
РЛС
Цель 1
Д1
Цель 2
Д2
0 Д
Uвых(Д)
Д
Дмин = Д
Рис. 2.4. К пояснению понятия «разрешающая способность РЛС по дальности»
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 37
при обнаружении целей и измерении их координат
Таким образом, подводя итог процедуре измерения дальности
до цели, можно констатировать, что для измерения с помощью
РЛС расстояния до цели необходимо определить время запаз-
дывания tД, которое при известной скорости С распростране-
ния радиоволн позволяет определить дальность до нее в соот-
ветствии с выражением (2.1).
При определении углового положения цели РЛС выполняет роль
транспортира (рис. 2.6), который, как известно, служит для измере-
ния величин углов между выбранным направлением отсчета и на-
правлением на объект, представляющий интерес. Направление, ко-
торое выбирается за отсчетное при использовании РЛС, может представлять
собой, например, направление «север — юг» (северное направление), направле-
ние, соответствующее продольной оси летательного аппарата или транспортного
средства и т. п. Все зависит от предназначения РЛС и места ее установки — назем-
ная или бортовая (самолетная, корабельная, космическая и т. п.). Для определен-
ности в дальнейшем в качестве отсчетного будем принимать северное направле-
ние. В этом случае угловое положение цели будет соответствовать углу между
направлением на север и направлением на цель (рис. 2.7). Для того, чтобы опреде-
лить направление на цель, необходимо определить направление нормали (пер-
пендикуляра) к фазовому фронту радиоволны, отраженной от цели или излучен-
ной ею. При этом под фазовым фронтом РВ понимают геометрическое место
точек, расположенных вокруг цели, которые соответствуют постоянному значе-
нию фазы РВ при условии, что радиоволна отражается от цели во всех
РЛС
Цель
Д
виртуальная линейка
расстояние до цели
Рис. 2.5. Представление процесса измерения расстояния до цели
с помощью виртуальной линейки
38 Глава 2. Физические основы радиолокации
направлениях в пределах 360 градусов (рис. 2.8). Поскольку цель, как правило,
находится далеко от РЛС, то ее можно представлять в виде точки. В этом случае
говорят, что цель является точечной. Тогда фазовый фронт РВ, отраженный от то-
чечной цели (ТЦ), в картинной плоскости в каждый момент времени можно пред-
ставить в виде окружности, центр которой располагается в точке нахождения ТЦ
1
2
Объект 2
Объект 1
0
90
180
45 135
Рис. 2.6. Представление процесса измерения угловой координаты объекта
с помощью виртуального транспортира
Цель
С
Северное
направление
Ю
РЛС
Направление «РЛС – цель»
Угловое положение цели
Рис. 2.7. Графическая иллюстрация процесса измерения угловой
координаты наблюдаемой цели
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 39
при обнаружении целей и измерении их координат
(рис. 2.9). При этом направление луча «РЛС — цель» будет определяться по пер-
пендикуляру (нормали) к фазовому фронту РВ, восстановленному в точке пересе-
чения линии «РЛС — цель» и окружности вокруг ТЦ (рис. 2.10). Если теперь со-
вместить выбранное за начало отсчета значение (не обязательно нулевое) шкалы
воображаемого транспортира с направлением на север, то значение его шкалы,
совпадающее с лучом «РЛС — цель», будет соответствовать угловому положению
цели относительно направления отсчета. При этом точность определения
цель
Фазовый фронт РВ
Касательная
к фазовому фронту РВ
Направление
на РЛС
Нормаль к фазовому
фронту РВ
Рис. 2.8. Определение направления на цель по фазовому фронту
отраженной радиоволны
фазовый фронт РВ,
отраженной
от точечной цели
точечная
цель
Рис. 2.9. Графическое представление фазового фронта радиоволны,
отраженной от точечной цели
40 Глава 2. Физические основы радиолокации
углового положения цели будет зависеть от цены деления шкалы транспортира
(рис. 2.6). Аналогом величины при использовании в качестве измерителя РЛС
будет являться ее показатель, именуемый разрешающей способностью по уг-
ловой координате. Данный показатель определяется минимальной величиной
разности мин = 2 − 1 в угловых направлениях на две близко расположенные
цели, при которой сигналы, отраженные или излученные данными объектами,
на выходе приемника РЛС отображаются раздельно (рис. 2.11).
Из сказанного следует, что при измерении углового положения цели необ-
ходимо располагать информацией об угловом положении оси 0, выбранной
в качестве отсчетной, и луча л, соответствующего положению нормали к фазо-
вому фронту волны, приходящей от цели. Измерение угловой координаты цели
рассмотренным образом, может быть проведено как по фазовому фронту РВ,
отраженной от цели, так и по фазовому фронту РВ, излученной самой целью
(объектом).
При известных величинах 0 и л угловое положение цели ц будет равно
ц = л − 0. (2.2)
0
90
180
45 135
Нормаль
к фазовому
фронту РВ
Фазовый фронт РВ
Касательная
к фазовому
фронту РВ
Северное
направление
Точечная
цель
РЛС
Виртуальный
транспортир
л
ц
0
Рис. 2.10. Графическая иллюстрация процесса измерения угловой координаты
точечной цели с помощью виртуального транспортира
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 41
при обнаружении целей и измерении их координат
При значении 0 = 0 получаем ц = л. Таким образом определяются угловые
координаты цели как в горизонтальной плоскости цг (в плоскости азимута), так
и в вертикальной цв (в плоскости угла места) (рис. 2.10).
Располагая информацией о дальности Д до цели и ее угловых координатах
цг, цв, можно определить местоположение обнаруженной цели в пространстве
(рис. 2.12).
0
РЛС
С
Ю
uвых()
мин =
1
2
Рис. 2.11. К пояснению понятия «разрешающая способность РЛС
по угловой координате»
X
Y
Z
цг
цв
Д
Цель
РЛС
Направление,
выбранное
за отсчетное
Рис. 2.12. Определение пространственного положения (местоположения) цели
42 Глава 2. Физические основы радиолокации
Таким образом, при измерении углового положения цели необ-
ходимо располагать информацией об угловом положении оси
φ0, выбранной в качестве отсчетной, и луча φл, соответствую-
щего положению нормали к фазовому фронту волны, приходя-
щей от цели.
Знание информации о дальности Д до цели и ее угловых коор-
динатах φцг, φцв позволяет определить местоположение обна-
руженной цели в пространстве.
Как отмечалось ранее, процесс обнаружения цели основан на спо-
собности радиоволн отражаться от любой области пространства,
которая отличается по своим электрическим или магнитным пара-
метрам от среды распространения.
При отражении радиоволн от целей в параметры отраженной
волны (радиолокационного сигнала) закладывается инфор-
мация о свойствах и характеристиках наблюдаемого объекта.
Поэтому анализируя параметры отраженной волны, помимо
факта обнаружения цели, можно также определять ее коорди-
наты и параметры движения, классифицировать наблюдаемые
объекты, определять тип цели, габариты и т. п.
Однако необходимо заметить, что отражение РВ от цели будет происходить
тогда, когда характерные размеры цели lц будут не меньше длины волны зон-
дирующего электромагнитного колебания (падающей на цель радиоволны)
(рис. 2.13). В противном случае РВ, подобно морской волне (рис. 2.14), будет
огибать (омывать) неоднородность, появившуюся на ее пути, и радиосигнал,
отраженный от цели, формироваться не будет. Таким образом, для того, что-
бы от цели или неоднородности на пути распространения РВ был сформирован
отраженный сигнал (отраженная радиоволна), необходимо выполнение следу-
ющего условия:
lц . (2.3)
Из данного соотношения следует, что возможность цели быть обнаруженной
по отраженному от нее сигналу напрямую зависит от длины волны. Учитывая,
что наиболее характерные размеры lц объектов радиолокационного наблюдения
составляют единицы—десятки метров, диапазон радиочастот (длин волн) зон-
дирующих колебаний, чаще всего используемый в радиолокации, начинается
с единиц метров и ниже.
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 43
при обнаружении целей и измерении их координат
В то же время, необходимо заметить, что при облучении цели на ее поверх-
ности возникают токи проводимости, если поверхность проводящая, или токи
смещения, если поверхность диэлектрическая. Данные токи служат источни-
ками формирования вторичных ЭМК, которые переизлучаются целью во всех
направлениях, в том числе, и в направлении на РЛС. Все сказанное относится
к любой неоднородности, возникающей на пути распространения радиоволн.
В результате характер отражений от объектов в радиолокации и их интенсив-
ность в значительной степени зависят от соотношения между характерными
размерами объекта, существующими неоднородностями на его поверхности
и длиной волны.
Таким образом, источником отраженного сигнала являются не-
однородности, возникающие на пути распространения радио-
волн, электрические или магнитные параметры которых отли-
чаются от среды распространения.
Большой процент объектов радиолокационного наблюдения со-
ставляют подвижные или движущиеся цели. К таким целям, на-
пример, относятся самолеты, вертолеты, автомобили, люди и т. д.
Основным отличительным признаком таких объектов является
Зондирующая Неоднородность
радиоволна
Отраженная
радиоволна
lЦ
Рис. 2.13. Графическая интерпретация процесса отражения радиоволны
Волна Неоднородность
lЦ
Рис. 2.14. Графическая иллюстрация ситуации,
при которой радиоволна не отражается от цели
44 Глава 2. Физические основы радиолокации
скорость их движения. Выявить эффект движения цели, как отмечалось ранее,
можно, опираясь на эффект Доплера, который позволяет определить радиаль-
ную скорость движения цели (рис. 2.15). Если в зоне радиолокационного на-
блюдения находится неподвижная цель, то частота fпрм принимаемого сигнала,
отраженного от цели, не меняется по отношению к частоте f0 излученного (зон-
дирующего) сигнала (при условии, что источник излучения неподвижен).
При отражении сигнала от подвижного объекта происходит изменение часто-
ты fпрм по отношению к частоте f0. Характер изменения частоты fпрм принимае-
мого сигнала в этом случае зависит от направления движения цели по отноше-
нию к облучающей ее РЛС. Рассмотрим две ситуации. Первая — точечная цель
движется строго навстречу РЛС (рис. 2.16а). В этом случае радиоволна, излуча-
емая РЛС, встречается с целью раньше на величину t = L/Vц по сравнению
со случаем неподвижной цели, сокращая, таким образом, период колебания Т0
радиоволны на величину t. Здесь L — путь, проходимый целью, с момента из-
лучения РВ до ее встречи с целью, а Vц — скорость движения цели. Поскольку
ТЦ движется навстречу РЛС со скоростью Vц << C, то каждый последующий пе-
риод ЭМК также будет уменьшаться на величину t, т. е. период колебаний от-
раженной волны становится равным Тн1 = Т0 − t. А так как период колебания Т0
радиоволны и ее частота f0 связаны соотношением
Т0 = 1/f0,
то получаем, что частота fн1 наблюдаемой волны в точке цели, определяемая
как
fн1 = 1/Тн1, (2.4)
будет больше, поскольку период Тн1 меньше, чем Т0.
В случае, когда точечная цель удаляется от РЛС — вторая ситуация
(рис. 2.16б), происходит обратная картина. Цель встречается с излучаемой РВ
РЛС
цель
Линия визирования
«РЛС — цель»
VЦ
VРЛС
VРЛСР
VЦР
Рис. 2.15. Графическая иллюстрация к определению радиальной скорости
движения цели и носителя РЛС
2.1. Основные закономерности распространения радиоволн, используемые в радиолокации 45
при обнаружении целей и измерении их координат
позже на величину t по сравнению со случаем неподвижной цели. И, следо-
вательно, период колебаний наблюдаемой радиоволны Тн2 в точке цели увели-
чивается и становится равным Т0 + t. В результате, с учетом выражения (2.4)
получаем, что частота fн2 колебаний, наблюдаемых в точке цели, меньше, чем
f0, поскольку Тн2 = Т0 + t > Т0.
Для сравнения на рис. 2.16в и г приведены временные диаграммы изменения
частоты сигналов, отраженных от неподвижной цели и целей, двигающихся на-
встречу (рис. 2.16в) и от РЛС (рис. 2.16г). Как видно, сравнение характера измене-
ния частот данных сигналов позволяет выделить приращение или уменьшение
частоты принимаемого сигнала, отраженного от движущейся цели, и, следова-
тельно, определить скорость ее движения.
неподвижная
цель
t t
t t
t
t t
t
неподвижная
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
движущаяся
цель
неподвижная
цель
неподвижная
цель
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС
РЛС РЛС
РЛС РЛС
в г
a б
Vц
Vц Vц
Vц
Tн1 Tн2
T0
t t
T0
Рис. 2.16. Графическая иллюстрация изменения частоты принимаемых сигналов,
отраженных от движущейся и неподвижной целей
46 Глава 2. Физические основы радиолокации
Таким образом, подводя итог, можно констатировать, что час-
тота fпрм принимаемых РЛС колебаний от цели, двигающейся ей
навстречу, возрастает по сравнению со случаем неподвижной
цели и уменьшается при удалении цели от РЛС. Данное изме-
нение частоты принимаемого сигнала называют доплеровским
смещением частоты и обозначают как fдп. Величина данного
смещения зависит от скорости взаимного движения носителя
РЛС и цели.
Необходимо заметить, что рассмотренные свойства РВ будут
проявляться вне зависимости от условий оптической видимос-
ти в зоне радиолокационного наблюдения.
Уважаемый профессор, Вы рассказали об основных закономернос-
тях распространения радиоволн, которые позволяют проводить ра-
диолокационные измерения и обнаруживать цели. А какие методы
измерения координат и параметров движения целей используют
в радиолокации?
2.2. Ìåòîäû èçìåðåíèÿ êîîðäèíàò è ïàðàìåòðîâ
äâèæåíèÿ öåëåé
Поскольку методы измерения дальности, угловых координат, ско-
рости движения целей отличаются друг от друга, то рассмотрим
методы измерения данных величин последовательно друг за дру-
гом. Начнем с методов измерения дальности или расстояний.
2.2.1. Методы измерения расстояний
Как было отмечено ранее, дальность Д до цели можно определить, если извест-
но время запаздывания tд, принимаемого радиолокационного сигнала. Инфор-
мация о времени запаздывания tд может быть заложена в любом из параметров
принимаемого радиосигнала, а именно: в амплитуде, частоте или в фазе сиг-
нала. При этом параметр, в котором заключена информация о цели, называют
информационным. В зависимости от того, какой из информационных параметров
радиосигнала используется при определении времени запаздывания tд, разли-
чают три метода измерения расстояний: импульсный (амплитудный), частотный
и фазовый.
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 47
При импульсном методе время запаздывания
tд измеряется относительно момента излучения
зондирующего импульса по моменту превыше-
ния амплитудой отраженного от цели импульсно-
го сигнала некоторого порогового уровня на вы-
ходе приемника (ПРМ) РЛС. Фиксация момента
превышения порогового уровня может быть вы-
полнена с помощью различных устройств, на-
пример, с помощью индикатора на электронно-
лучевой трубке (ЭЛТ) с амплитудной отметкой
цели (рис. 2.17). Однако в современных РЛС дан-
ная процедура проводится с помощью цифровых
устройств (рис. 2.18). Запуск устройства изме-
рения времени tд в этом случае осуществляется
в момент излучения зондирующих импульсов.
Управляет моментами излучения синхронизатор РЛС, который формирует после-
довательность импульсов, определяющих моменты времени формирования зон-
дирующих импульсов. Данную последовательность импульсов называют «синх-
ронизирующими импульсами» или просто — «синхроимпульсы» (СИ) (рис. 2.18).
В момент прихода СИ запускается генератор счетных импульсов (ГСЧИ), который
начинает формировать последовательность импульсов с периодом следования ТСЧ,
причем ТСЧ << TИ = ТСИ, где TИ, ТСИ — периоды следования зондирующих и синх-
роимпульсов соответственно (см. рис. 2.19). Одновременно с ГСЧИ запускается
также формирователь селекторного импульса (ФСИ), который начинает форми-
ровать селекторный импульс. В момент начала формирования селекторного им-
пульса открывается схема совпадения (СС), которая обеспечивает прохождение
на цифровой счетчик импульсов (ЦСИ) счетных импульсов (СЧИ), поступающих
с выхода ГСЧИ. В результате ЦСИ подсчитывает количество СЧИ, поступивших
на его вход. Подсчет счетных импульсов продолжается до тех пор, пока не насту-
пит запирание схемы совпадения. Запирание данной схемы происходит в момент
окончания селекторного импульса, который наступает при поступлении на вход
ГСЧИ
ФСИ
СИ СС ЦСИ
с выхода
ПРМ РЛС
Рис. 2.18. Структурная схема цифрового измерителя дальности до цели
tД
Рис. 2.17. Графическая
иллюстрация процесса
измерения дальности при
использовании в измерителе
индикаторного устройства на
электронно-лучевой трубке
48 Глава 2. Физические основы радиолокации
ФСИ сигнала, отраженного от цели с выхода ПРМ РЛС. Таким образом, на выхо-
де ЦСИ получаем цифровой код, соответствующий времени запаздывания tд сиг-
нала, отраженного от цели. Следовательно, если обозначить через Nд количество
СЧИ, поступивших на вход ЦСИ за время tд, то при известной величине периода
ТСЧ можно записать
t NT Д Д СЧ .
Отсюда дальность Д до цели
Д
Ct CN T Д Д СЧ
2 2
,
т. е. дальность Д до цели пропорциональна количеству счетных импульсов Nд.
Необходимо заметить, для того, чтобы измеренное значение дальности со-
ответствовало истинной дальности до цели, т. е. осуществлялся однозначный от-
счет данной величины, должно выполняться условие: t Д макс TИ , где tд макс — вре-
мя запаздывания сигнала, отраженного от цели, максимально удаленной от РЛС.
В противном случае РЛС будет измерять время запаздывания tд неод, которое не со-
ответствует истинной величине времени запаздывания tд ист сигнала, отраженного
от цели (рис. 2.20). Поэтому, выбирая период следования ТИ зондирующих им-
пульсов при заданной максимальной дальности Дмакс, следует исходить из условия
T t
Д
С И Д макс
макс 2 .
Однако при конструировании РЛС инженеры-разработчики в ряде случаев
заведомо нарушают данное условие, учитывая другие аспекты функционирова-
ния РЛС, например, связанные с обеспечением максимально возможной даль-
ности действия РЛС или обнаружением целей на фоне отражений от земной
uСИ(t)
uОТР(t)
uИЗЛ(t)
uСЧИ(t)
t
t
t
t
TСЧ
tД
TИ
Рис. 2.19. Временные диаграммы, соответствующие процессу измерения дальности
импульсным методом при цифровой реализации измерителя
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 49
поверхности. Но тогда принимаются специальные меры, позволяющие при
функционировании РЛС разрешить проблемы, связанные с неоднозначностью
измерения дальности.
При частотном методе дальность до цели измеряется по величине изменения
частоты излучаемых колебаний за время распространения их от РЛС до наблю-
даемой цели и обратно. При этом частота непрерывных частотных колебаний,
излучаемых в направлении цели, модулируется (изменяется) по какому-либо
периодическому закону. Чаще всего на практике используют три вида частот-
ной модуляции: симметричную линейную, несимметричную линейную и гармо-
ническую (синусоидальную) (рис. 2.21а, б, в). Для определенности будем считать,
что частота непрерывных зондирующих колебаний изменяется в соответствии
с законом линейной несимметричной модуляции (рис. 2.22), который еще на-
зывают также законом «несимметричной пилы». Характерными параметрами
t
б несимметричная линейная частотная модуляция
t
f(t)
f(t)
f(t)
a симметричная линейная частотная модуляция
t
в гармоническая (синусоидальная) частотная модуляция
Рис. 2.21. Характер изменения частоты зондирующего сигнала РЛС
при различных видах частотной модуляции
t
t
uОТР(t)
uИЗЛ(t)
TИ
tДист
tДнеод
Рис. 2.20. Графическая иллюстрация неоднозначности измерения дальности до цели
при импульсном методе ее измерения
50 Глава 2. Физические основы радиолокации
данного закона изменения частоты являются: f0 — средняя (центральная) час-
тота изменения; Fм — девиация частоты (диапазон изменения частоты от ми-
нимального ее значения до максимального); Tм — период частотной модуляции.
При отражении ЭМК от неподвижной цели частота отраженного сигнала также
будет изменяться по закону несимметричной пилы, однако во времени он будет
запаздывать на величину tд. Как видно из рис. 2.22, за время запаздывания tд
возникает различие между частотами излученного и принятого ЭМК, равное
f. При известных параметрах Fм и Tм закона несимметричной пилы, измеряя
величину f, можно найти время запаздывания tд (из подобия треугольников
ОАВ и ОСD), а зная его — дальность до цели
t
T
F
f д
м
м
,
Д
С
t
С T
F
f
2 2 д
м
м
. (2.5)
Как это видно из (2.5), измеряемая дальность до цели пропорциональна раз-
ностной частоте f. В то же время из рис. 2.22 видно, что пропорциональность
сохраняется до тех пор, пока tд Tм. Следовательно, для однозначности измере-
ния дальности Д до цели период Tм модуляции частоты зондирующего колеба-
ния должен удовлетворять условию
T t м дмакс .
Необходимо заметить, что если цель движется, то ее движение вносит ошиб-
ку в процесс измерения дальности при использовании частотного метода, кото-
рая обусловлена проявлением эффекта Доплера. В этом случае измеренная ве-
личина fизм не будет соответствовать истинному значению разности частот f,
0
t
f
ТM
А
В
С
D
2ТM
f
FM
fОТР fИЗЛ
f0
tД
Рис. 2.22. Характер изменения частоты излученного и принимаемого отраженного
сигнала от цели при измерении дальности до нее частотным методом
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 51
соответствующей дальности до цели. В этой связи, первоначально, необходимо
измерить доплеровское смещение частоты fдп принимаемого сигнала, а затем
проводить измерение дальности до движущейся цели в соответствии с выраже-
нием (2.5). Для устранения данного недостатка в РЛС, как правило, используют
несимметричный закон частотной модуляции зондирующих колебаний с пау-
зой между восходящими участками (рис. 2.23). Это позволяет в момент паузы
определить доплеровское смещение частоты fдп, а затем по известной величи-
не fдп и при наличии частотной модуляции — истинную величину f, а следова-
тельно, и дальность до цели.
При фазовом методе дальность до цели измеряется по разности фаз между
излученным иизл(t) и принимаемым ипрм(t) сигналами. Представим излученный
сигнал в виде
u t U t изл m ( ) cos( ) 0 0, (2.6)
где Uт — амплитуда сигнала; (0t + 0) — полная фаза сигнала, 0 = 2f0 — кру-
говая частота сигнала; 0 — начальная фаза сигнала.
Сигнал, принимаемый РЛС, будет отличаться от излученного амплитудой
и фазой. В этой связи представим принимаемый сигнал в виде
u t aU t t прм m д ( ) cos( ( ) ) 0 0, (2.7)
где а — коэффициент, учитывающий затухание амплитуды сигнала при рас-
пространении РВ, (0(t − tд) + 0) — полная фаза принимаемого сигнала; tд —
как и ранее, время запаздывания принимаемого сигнала по отношению к из-
лученному. Сравнивая разность фаз принимаемого и излученного сигналов,
получаем
0 0 0 0 0
2
( )Д
Д
С
.
Период модуляции
частоты
Период модуляции
Пауза частоты Пауза
fОТР
t
f
0
fИЗЛ
fДП
fизм
Рис. 2.23. Характер изменения частоты принимаемого отраженного сигнала от цели
в процессе измерения дальности при ее движении
52 Глава 2. Физические основы радиолокации
Из данного выражения, с учетом зависимости f0 = С/, следует, что даль-
ность до цели равна
Д
C
2 4 0
. (2.8)
В связи с тем, что изменение фазы
однозначно лишь в пределах от 0 до 2
(рис. 2.24), однозначное измерение дально-
сти Д, как это следует из (2.8), может быть
проведено при Д /2. И, следовательно,
максимальная однозначно измеряемая
дальность Дмакс = /2. Для увеличения диа-
пазона однозначных измерений дальности
до цели целесообразно использовать более
длинные волны. При измерении рассто-
яний до целей, которые превышают /2,
необходимо осуществлять подсчет целого
числа периодов изменения фазы за время tд,
т. е. 2k, k 0, 1, 2, , что делает
сложным само устройство измерения даль-
ности. Другая трудность при использовании фазового метода состоит в том, что
в активной радиолокации сложно учесть изменение фазы сигнала, обусловлен-
ное удалением (приближением) цели от РЛС, поэтому данный метод используется
главным образом в системах с активным ответом, когда работают с «прямыми»
(излучаемыми) сигналами, а не с отраженными.
Таким образом, при измерении расстояний до цели в радио-
локации используются три основных метода измерения даль-
ности до объекта наблюдения — амплитудный (импульсный),
частотный и фазовый.
Суть методов измерения дальности основывается на измере-
нии времени запаздывания tД сигнала, отраженного от цели,
относительно момента излучения зондирующего сигнала.
При известной величине времени запаздывания tД и постоян-
ной скорости распространения С радиоволн дальность до цели
в активной радиолокации оказывается равной половинному
произведению величин tД и С.
Информация о времени запаздывания закладывается в такие
параметры отраженного сигнала от цели, как амплитуда, час-
тота, фаза. Поэтому наименование метода измерения дально-
сти зависит от того, какой из параметров отраженного сигнала
используется для извлечения информации о времени запазды-
вания, а следовательно, и дальности до цели.
3/2 /2
2
r = 1
0
0
Рис. 2.24. Графическая иллюстрация
изменения фазы сигнала,
отраженного от точечной цели
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 53
Теперь рассмотрим методы измерения угловых координат целей.
2.2.2. Методы измерения угловых координат
Ранее отмечалось, что направление распространения РВ, двигаю-
щейся прямолинейно в однородной среде, определяется по пер-
пендикуляру (по нормали) к ее фазовому фронту. При распростра-
нении радио волны в свободном пространстве, отраженной
от точечной цели (излучаемой точечным источником), фазовый фронт имеет
вид сферы (рис. 2.25). На больших же расстояниях от цели фазовый фронт от-
раженной радиоволны, ввиду малости области ее взаимодействия с целью,
можно считать плоским (рис. 2.26). Положение нормали к данному фронту так-
же будет определять направление прихода радиоволны, измеряя которое, как
и ранее, можно определить угловые координаты цели. Часто процесс определе-
ния угловых координат целей называют пеленгацией.
Представим, что радиоволна, отраженная от цели, находящейся на большом
удалении от РЛС, воспринимается в месте приема антенной системой, состоя-
щей из двух элементов, расстояние между которыми равно d (рис. 2.26). Данное
расстояние обычно называют «базой». В радиолокации понятие «большое уда-
ление» определяется из неравенства: Д 2L2/, где L — протяженность апертуры
антенны РЛС (рис. 2.27), а , как и ранее, — длина радиоволны. Данное условие
определяет так называемую дальнюю зону РЛС. В рассматриваемой ситуации
(рис. 2.26.) роль L играет величина d.
Касательная ТЦ
к фазовому фронту
радиоволны
Д(t)
Нормаль
к фазовому фронту
радиоволны
Фазовый фронт
радиоволны
Рис. 2.25. Графическая иллюстрация определения направления распространения
волны, отраженной от точечной цели
54 Глава 2. Физические основы радиолокации
Из рис. 2.26 видно, что, измеряя разность времен запаздывания tд сигнала,
отраженного от цели, отсчитываемых в точках приема 1 и 2,
t t t
Д Д
C д д д
1 2
2 1 2 ( ),
можно определить направление прихода радиоволны (угол ), поскольку обыч-
но выполняется условие d Д Д 1 2 , , позволяющее чисто из геометрических со-
ображений записать
t
d
C д 2 sin. (2.9)
Из соотношения (2.9) следует, что
sin C
d
t
2
д
или
arcsin
C
d
t
2
д .
Разность времен запаздываний tд можно измерить
любым из следующих методов: фазовым, частотным, амп-
литудным или импульсным. Однако в радиолокации наибо-
лее широкое распространение получили фазовый и амп-
2
0
1
фазовый фронт
радиоволны ТЦ
Z
d
X
нормаль
Д1
Д2
Д
Рис. 2.26. Иллюстрация процесса измерения угловой координаты цели
при фазовом методе
L
Рис. 2.27. Графическая
интерпретация
понятия «апертура
антенны»
2.2. Методы измерения координат и параметров движения целей 55
литудный методы. Рассмотрим суть измерения величины tд при использовании
данных методов.
При использовании фазового метода, как и ранее, будем полагать, что отра-
женный сигнал от цели воспринимается антенной системой, состоящей из двух
элементов с расстоянием между ними, равным d (рис. 2.26). В точках приема 1
и 2, как отмечалось ранее, определяются времена запаздываний tд1 и tд2 отражен-
ной РВ от цели. На основании данной информации формируется разность вре-
мен tд, которая связана с разностью фаз сигналов, воспринимаемых в дан-
ных точках приема, как
0 0 2
4
t f t d д д sin, (2.10)
где 0 = 2f0 — круговая частота радиоволны, f0 — несущая частота зондирую-
щих колебаний. При написании (2.10) были учтены соотношение (2.9) и взаи-
мозависимость между длиной волны и частотой колебаний f0.
Выражение (2.10) позволяет определить направление прихода отраженной
волны, отсчитывая угол ее прихода относительно нормали Z к середине базы
антенной системы, в виде
sin
4 d
(2.11)
или
arcsin
4 d
. (2.12)
Однозначный отсчет угловой координаты возможен лишь в пределах изме-
нения фазового сдвига от 0 до 2 (см. рис. 2.24). Подставляя в (2.10) величину
= 2, найдем минимальную величину базы d, при которой обеспечивается
однозначность измерения
dмин
макс
sin ( )
.
В то же время, однозначное соответствие значения синуса угла угловой ко-
ординате обеспечивается при изменении последней в пределах диапазона, рав-
ного , когда значение синуса угла меняется в пределах от +1 до −1 (рис. 2.28).
Отсюда минимальный размер базы dмин антенной решетки, позволяющий про-
водить однозначное измерение угла прихода, определяется как
dмин
макс мин
sin ( ) sin ( ) 2
. (2.13)
56 Глава 2. Физические основы радиолокации
Измерение разности фаз принимаемых сигналов в радиолокационных сис-
темах обычно осуществляется с помощью элемента, называемого фазовым де-
тектором (ФД). Сигнал на выходе ФД пропорционален косинусу разности фаз
сигналов, подаваемых на его вход:
u k UU фд фд 1 2cos , (2.14)
где kфд — коэффициент передачи фазового детектора; U1 и U2 — амплитуды сиг-
налов на выходе элементов 1 и 2 антенной решетки (рис. 2.26).
При практической реализации устройств фазовой пеленгации желатель-
но при = 0 иметь сигнал на выходе фазового детектора, также равный нулю
(рис. 2.29). Поэтому фаза одного из сигналов с выхода элементов антенной
решетки предварительно, до подачи на ФД, изменяется на 90°. Если провести
нормировку выходного сигнала ФД, т. е. разделить (2.14) на множитель k UU фд 1 2 ,
и учесть фазовый сдвиг одного из сигналов, равный 90°, получим
u
u
U
d
фд
фд
н
0
sin 2 sin
, (2.15)
где U k UU 0 1 2 фд .
0
1
–1
sin
/2 3/2
2
Рис. 2.28. Графическая иллюстрация изменения значений синуса угла при
варьировании последнего в диапазоне [0, 2]
–3/2 0
–1
1
–
–2 –/2 /2 3/2 2
uфд н
Рис. 2.29. Графическая иллюстрация выходного сигнала фазового
угломерного устройства