Байки из радиорубки. Основы радиолокации, часть вторая.

Продолжение статьи о основах и принципах работы РЛС. В этой статье будут описаны методы борьбы с помехами, и даны ответы на некоторые вопросы заданные в комментариях.

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

Об основах обнаружения целей в воздухе при помощи РЛС я рассказал в прошлой статье, в этой статье пойдёт речь о способах селекции целей и о принципах борьбы с помехами. Всем приятного чтения, если есть вопросы, спрашивайте в комментариях, всегда стараюсь отвечать на них.

ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ О НАЛИЧИИ ЦЕЛИ

Как выяснить точные координаты цели по отражённому сигналу я описал в предыдущей статье. Теперь расскажу немного об этом отражённом сигнале. От читателя поступил интересный вопрос:

Простите за тупой вопрос, но как вычислительное устройство индикатора понимает, что антенна приняла отраженный сигнал этого, а не предыдущего импульса? Все излучаемые импульсы одинаковы по длительности и частоте?

В классической теории время между сигналами одинаковое, сами сигналы то же одинаковые. Для определения дальности используется время между излучением и принятием сигнала, определение от какого импульса пришёл сигнал не производиться. Объясняю почему, время между излучаемыми импульсами обычно такое, что излучённый сигнал, за это время, распространяется на расстояние намного большее, чем максимальная дальность обнаружения РЛС, поэтому даже если он отразиться от чего либо, приёмник РЛС его не услышит. Простыми словами, в зоне обнаружения РЛС в любой момент времени находиться не более одного излучаемого сигнала. 

Если сигнал от цели очень слабый ( к примеру как от самолёта по технологии стелс), для его выделения на фоне шумов используется способ накопления сигнала. Суть этого метода по порядку. Как описывал раньше один из важных параметров РЛС разрешающая способность. Для примера возьму РЛС обзора сантиметрового диапазона, с разрешающей способностью (шириной сканирующего луча) в пол градуса, скоростью сканирования 6 оборотов в минуту, и частотой сканирующих импульсов 0,4 кГц. Полный оборот это 360 градусов, ширина луча пол градуса, 360 поделить на ширину луча и мы получим 720 секторов расположенных по кругу, в которых может находиться цель. Время сканирования 6 оборотов в минуту, то есть 10 секунд на круг. Поделим 10 секунд на 720 и получим приблизительно 0.014 секунды, это время нахождения сканирующего луча в секторе. Частота сканирующих импульсов 0,4 кГц, это значить что каждую секунду посылается 400 сканирующих импульсов в пространство. Умножим 400 на 0.014 и получим 5,6, это число импульсов излучаемых в один сектор где находится цель. То есть пока сканирующий луч подсвечивает цель, мы получим от неё, грубо говоря, минимум 5 отражённых сигналов. Если записать эти 5 сигналов, полученных на фоне шумов, и сложить, а лучше перемножить. Тогда полученный суммарный или умноженный сигнал будет сильно выделяться на фоне шума и его можно будет идентифицировать.

ЗАЩИТА ОТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПОМЕХИ

Так же для создания ложных целей и помех, для скрытия самолёта от РЛС, используются так называемые дипольные отражатели. Как правило это целая туча лапши из тонкой фольги которую разбрасывают в воздухе с самолёта. Такой тип помех был впервые применён во время ковровых бомбардировок Германии, во время второй мировой, пример американская window. И применяется до сих пор, правда в настоящее время используют вместо фольги дым завесы с большим содержанием частиц метала в дыме. Комрады если кто найдёт фотки этой лапши из фольги в воздухе и на земле, буду благодарен, ибо с "авиарсходниками" знаком слабо и просто не знаю что гуглить. Такой тип помехи создаёт завесу которая отражает большую часть радио волн и затрудняет их распространение через область помехи. Первый способ борьбы с такой помехой. Облако диполей создаёт равномерный и длительный по времени отражённый сигнал. К примеру сигнал отражённый от цели равен по времени сканирующему импульсу. Если нету защиты от помех, облако диполей выглядит на экране РЛС как большое пятно засветки, пример на картинке справа:

Способ борьбы с такой помехой выводить на экран только фронты отражённых сигналов и фильтровать сигналы большой длительности. В зависимости от реализации на экран РЛС можно выводить только границу облака помех, либо вообще очистить экран от помех такого рода, пример на левом изображении. Что интересно цель за таким облаком помех рассмотреть реально, так как сигнал от цели и от помехи будет разным из-за доплеровского эффекта, об этом ниже.

ЛОЖНЫЕ ЦЕЛИ

Так же для создания ложных целей используются так называемые уголковые отражатели. Суть таких отражателей, что при своих относительно малых размерах, они отражают очень сильный сигнал в сторону его источника. Пример уголкового отражателя на картинке:

Комрады, опять же буду рад если скажите хотя бы названия, а лучше найдёте фото в сложенном и разложенном виде этих приспособ, применяемых в авиации, ибо не силён в этом). Тут один читатель прислал в комментариях к прошлой статье видео учебного воздушного боя на Ф-18, в нём вроде как применяли сброс отражателя для срыва захвата РЛС наведения. Если честно, просмотрел видео пару раз и к сожалению рассмотреть ничего не смог, кому интересно ссылка на ТыТуб, нужный момент вроде как на 0.22 http://www.youtube.com/watch?v=aFK4DohFPI4 . Вообщем описываю своими словами. Такой тип отражателей используется для создания ложных целей, как правило РЛС обзора очень хорошо защищены от таких помех. Принцип защиты довольно прост, о доплеровском смещении уже писал в прошлой статье. У настоящей цели, за счёт её движения, доплер будет больше, у отражателя меньше. Так как его скорость меньше и при том он постоянно замедляется переходя в свободное падение, при котором доплер будет очень малым. Система защиты от помех РЛС обзора фильтрует сигналы с малым доплером. Поэтому такой тип ложных целей не эффективен против РЛС обзора, так как похож на цель очень короткое время, пока не замедлиться. Зато против следящих РЛС (или РЛС подсвета и наведения) такой тип ложной цели очень эффективен. Несколько секунд после сброса отражателя, он имеет очень похожие характеристики как и самолёт, но удаляется от самолёта. Для следящей РЛС это выглядит как будто цель раздваивается, и если РЛС однолучевая, следящий луч направляется в промежуток между целью и помехой, что приводит с срыву подсвета цели. О принципах работы следящих РЛС возможно расскажу ниже. Способ борьбы с такой помехой использовать многолучевые РЛС которые могут подсвечивать сразу несколько целей в одном секторе. После сброса отражателей, каждый из них подсвечивается как потенциальная цель, после их замедления они отфильтровываются как ложные цели.

ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ СРЕДСТВАМ РЭБ

Самый действенный и распространённый на сегодня способ противодействия РЛС, это активные постановщики помех. Их суть состоит в том что в сторону РЛС излучаются сигналы крайне похожие на сигналы самой РЛС, что приводит к образованию ложных целей на экране РЛС либо вообще её ослепляет. Существует множество разных алгоритмов и принципов работы таких помехо постановщиков, расскажу о самом простом. Станция РЭБ формирует сигнал очень похожий на отражённый, с учётом всех параметров, доплеровского смещения изменения во времени и кучи других параметров. Это сигнал излучается в виде узкого луча направленного в сторону РЛС. В прошлой статье я уже говорил про диаграммы направленности антенн РЛС, по мимо главного лепестка есть ещё побочные боковые, которые то же могут принимать сигналы, единственное отличие что сигналы принятые боковыми лепестками очень слабы и легко фильтруются. На рисунке снизу ДН антенны где виден главный и боковые лепестки:

Что бы не было споров, это диаграмма обычной направленной телевизионной антенны, у которой главный лепесток 50 градусов, в отличие от 5-0,5 у РЛС. Если к примеру сигнал поступит на антенну под углом 65 или 295 градусов, то его уровень будет составлять 0,3 от уровня если бы этот сигнал пришёл по главному лепестку. То же самое и с углами 120 и 240, только уровень уже будет 0,2. Это значит что антенна способна принимать сигналы приходящие под разными углами, но с заметным ослаблением. Так как антенна РЛС вращается, меняется угол под которым будет поступать сигнал от источника помехи (станции РЭБ). Из-за того что мощность сигнала помехи довольно большая, после его прохождения через боковой лепесток ДН РЛС, уровень этого сигнала такой же как и уровень отражённого сигала пришедшего через главный лепесток ДН. По скольку индикатор РЛС не способен определить по какому лепестку пришёл сигнал, он выводит все поступившие сигналы в той зоне где щас находиться главный лепесток. И в итоге на экране индикатора получается следующая картинка:

Прошу прощения за качество, но другого не нашёл. Как видно активная помеха, воздействующая по боковым лепесткам, может почти полностью ослепить РЛС. Способ борьбы с таким типом помех, вырезать сигналы поступающие по боковым лепесткам. Это делается при помощи другой антенны, сопряженной с основной антенной РЛС. ДН этой антенны имеет фору кардиоиды:

Как видно такая антенна полностью не восприимчива к сигналам которые поступают с одного направления (на рисунке это 180 градусов). Для того что бы убирать помехи по боковым лепесткам, эту антенну ставят на одну ось с антенной РЛС, так что бы минимум кардиоиды совпадал с максимумом главного лепестка антенны РЛС. Если вычесть из сигнала антенны РЛС сигнал полученный с кардиоиды, в итоге получим сигнал который пришёл только из зоны главного лепестка. В этом случае помеха будет засвечивать только тот сектор в котором она находиться.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Видов помех и способов борьбы с ними великое множество. Я рассказал только самые простые из них. Принципы описанные в статье можно назвать классическими, ибо их рассказывают в самом начале предмета "основы радиолокации и радионавигации". И уже на основе их изучают более хитрые и изощрённые способы. Так же хочу отдать должное Харьковской радиотехнической "школе", именно в её русле было в первые в мире придумано и реализовано в металле множество передовых идей, которые используются до сих пор и обеспечивают преимущество отечественным системам. Многие современные Российские и Белорусские РЛС имеют харьковские корни. По поводу самой статьи, надеюсь было понятно и интересно читать, и как обычно конструктивная критика приветствуется))) если что-то не понятно задавайте вопросы, всегда стараюсь на них отвечать. По итогам этой статьи принял решение что будет ещё третья, на тему следящих РЛС и систем наведения ракет, так как они неразрывно связаны.