Байки из радио рубки. Основы радиолокации, ликбез для тех кто не в теме.

После статьи "Что такое стелс, разбор на пальцах" понял что необходимо рассказать и о принципах обнаружения более подробно. Так как большинство товарищей, судя по всему, имеет очень поверхностное представление или не имеют его вообще. И как обычно постараюсь упростить всё до неприличия и объяснить на пальцах, и как обычно просьба, в пианиста (автора) не стрелять, играет (пишет) как может)))

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

По комментариям и вопросам к прошлым статьям, решил что надо более подробно и основательно рассказать так называемую элементарную базу. Поэтому в этой статье я в обычном своём стиле попытаюсь о принципах классической радиолокации, объясню разницу между обычным полицейским радаром и современной трёх координатной РЛС. Для избежания вбросов и нездорового интереса, к точным техническим характеристикам, в статье, в качестве примеров, буду рассматривать только старые системы о характеристиках которых гугл давно всё знает. Приятного чтения, конструктивная критика как всегда приветствуется.

ОБНАРУЖЕНИЕ ЦЕЛИ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЛС

Основной принцип: передатчик посылает радио сигнал, сигнал распространяясь в пространстве отражается от объекта (цели), отражённый сигнал принимается приёмником. Как правило в классической РЛС приёмник и передатчик находятся в одном месте и на одной оси, возможны только вариации когда каждый использует свою собственную антенну, но чаще используется одна. Так же станции различаются по виду излучения постоянное и импульсное, если используется постоянное то у станции две антенны, при постоянном сигнал излучается постоянно только меняется со временем, при импульсном передатчик генерирует короткие импульсы с временным промежутком. Импульсные станции, как правило более мощные и дальнобойные, потому что использование импульсов позволяет накопить большую энергию между импульсами и излучить эту энергию во время короткого времени. Обычно время между импульсами в десять или больше раз больше чем длина импульса, то есть такая станция позволяет излучить сигнал большей мощности при том же потреблении энергии. Так же есть РЛС которые используют удалённый подсвет цели, в качестве передатчика для таких РЛС служат вышки сотовой связи, теле и радио вещания или другие мощные источники меняющихся во времени радио сигналов. Для обнаружения цели таким типом РЛС, цель не должна находиться на прямой или близко к прямой линии между РЛС и передатчиком сигнала, вычислительный комплекс должен знать точное место расположение передатчика. Как вычисляется место расположение цели это отдельный разговор, для тех кому очень интересно гуглить "пространственная задача обнаружения цели РЛС с внешним (сторонним) подсветом". Недостатки РЛС с внешним подсветом: низкая дальность обнаружения из-за использования маломощных сигналов слабо подходящих для радиолокации. Вот в принципе и всё что хотел сказать об обнаружении цели при помощи стороннего подсвета, не путать с наведением. На вопросы на тему подсвет цели для её обнаружения удалённой военной РЛС, или использования специальных устройств подсвета, отвечать не буду и комментарии с этим вопросом буду удалять.

ОБНАРУЖЕНИЕ ПО ПЕРВОЙ КООРДИНАТЕ

Первые РЛС были либо чисто сигнальными (есть цель, нету цели), пример РУС-1 (радиоулавливатель самолётов, первый) либо определяли наличие цели по одной координате дальности. Для этого требовалось засекать время между моментом излучения импульса и моментом его получения на радио приёмнике, если умножить это время на скорость света и поделить на два то получим дальность до цели. Пример на картинке:

Эта схема работает по следующему принципу, генератор импульса генерирует в нужное время импульс определённой длительности, этот импульс поступает и на вычислительное устройство индикатора и на передатчик который усиливает этот импульс для излучения. Во время импульса переключатель подключает антенну на передатчик, всё остальное время антенна подключена к приёмнику. Импульс излучается антенной, распространяться в пространстве, отражается от цели, возвращается на антенну. С антенны импульс попадает на приёмник, где происходит его фильтрация и усиление. После приёмника принятый импульс попадает на вычислительное устройство индикатора, где сравнивается время начального импульса и принятого, на основе этого на индикаторе появляется отметка пропорционально рваная дальности. Так определяется первая координата, дальность. Кстати на будущие, почти все РЛС работают в сферической системе координат, где центр сферы (точка отсчёта) это антенна РЛС, поэтому в статье я то же буду использовать сферическую систему. Разрешающая способность РЛС по дальности определяется минимальным расстоянием между двумя объектами находящимися в одной плоскости с антенной РЛС, когда РЛС будет видеть их как две отдельные цели. Простыми словами расстояние на котором два самолёта на экране не будут выглядеть как один. У метровых РЛС этот показатель хуже, у сантиметровых наоборот лучше.

Пример метровая РЛС П-18, разрешающая способность по дальности (погрешность) 1800-1400 метров в зависимости от модификации.

РЛС сантиметрового диапазона П-37, разрешающая способность 900 метров.

Исключение из правил это классический полицейский радар (не путать с лидаром), который используют гаишники для ловли нарушителей. Она работает по другому принципу, и не определяет расстояние до объекта, а измеряет его скорость. это происходит за счёт доплеровского эффекта. В двух словах суть этого эффекта такова. Если объект обладает какой либо скоростью, то отражённые от него волны будут иметь сдвиг по частоте пропорциональный скорости объекта, чем быстрее движется объект тем сильнее измениться частота отражённого сигнала. Как раз по разнице отражённого сигнала и излучённого, полицейский радар определяет точную скорость нарушителя. Отсюда интересный эффект, если замерить скорость летящего спорткара на фоне медленно ползущей фуры то прибор покажет скорость фуры, так как от фуры сигнал будет более сильным. Так будет в теории, а на практике могут случаться любые чудеса))) Поэтому я сторонник лидара для таких целей, так как, в отличии от радара, его обмануть практически нельзя, и точность с погрешностью гораздо меньше.

ВТОРАЯ КООРДИНАТА

Первую координату - дальность, или радиус на котором находиться цель, мы определил. Теперь не мешало бы определить направление. Классический способ это сканировать пространство по кругу узким лучом, это позволяет определить азимут цели. Для сканирования нужна антенна, которая излучает большую часть своей мощности в узком секторе. Визуальный пример: наклейте на стекло ручного фонаря наклейку из не прозрачного материала с узкой и длинной целью по середине. и посветите им в тёмной комнате на облако дыма или пыли, вы увидите нечто похожее на диаграмму направленности (далее ДН) антенны. Именно таким лучом РЛС сканирует пространство по кругу. Это осуществляется вращением антенны, устройство которое её вращает выдаёт точный угол на который повёрнута антенна. И если на антенну приходит отражённый сигнал, тогда по углу поворота определяют азимут на цель. Важная характеристика это ширина сканирующего луча, опять же у метровых рлс этот параметр хуже у сантиметровых лучше. Для примера у П-18 по азимуту 6 градусов, у П-37 0,5 градуса. Что это значить, если две цели находятся на одинаковой дистанции, без разницы на какой, в секторе шириной 6 градусов (для П-18), на экране они будут выглядеть как одна. Напомню что РЛС используют сферическую систему координат. Обе РЛС П-18 и П-37 двух координатные, то есть определяют дальность до цели и её азимут.

ТРЕТЬЯ КООРДИНАТА

По мимо того что бы определить где находиться цель неплохо бы знать её высоту если речь идёт о стандартной прямоугольной системе координат, или угол места в сферической. Как я говорил РЛС работают в последней системе координат. Что такой угол места, он же угол возвышения или эливации? Это величина угла между прямой от РЛС до цели и горизонтальной плоскостью, пример на картинке (угол места обозначен ε):

Раньше во время активной службы станций типа П-18, П-37 и прочих, вместе с ними использовался специальный тип РЛС который назывался радиовысотомерами. Этот тип по принципу работы очень похож на обычный двух координатные РЛС, которые ещё называют РЛС обзора. Отличие состояло в том что сканирующий луч двигался не в горизонтальной плоскости, а в вертикальной. Алгоритм действий был следующий. РЛС обзора обнаруживала цель (определяла дистанцию и азимут), если необходимо было узнать высоту на которой находиться цель. В её сторону разворачивали высотомер и он определял угол места, по которому высчитывалась высота цели. Как высчитывалась, школьная задача про прямоугольный треугольник в котором надо найти длину катета имея значения другого катета, гипотенузы и угла между ними. Пример такого высотомера ПРВ-16 на картинке снизу:

Как правило точность определения высоты такими высотомерами была не высокой, из-за особенностей которые скучно описывать, они определяли эшелон на котором находиться цель. Что интересно у такого типа РЛС антенна вращается в двух плоскостях, в вертикальной и горизонтальной, тоесть по большому счёту это уже трёх координатная РЛС так как может определять все три координаты, но есть одно НО. В таком режиме высотомеры применяют редко, как правило в крайних случаях. Причины этому: антенна имеет широкую ДН в горизонтальной плоскости, отсюда  очень малую разрешающую способность по азимуту, из-за того что антенну надо двигать в двух плоскостях (быстро это не сделаешь), время обзора то же увеличивается по сравнению с обычными РЛС кругового обзора.

В описанных выше РЛС перемещение сканирующего луча в пространстве осуществляется при помощи вращения антенны, из-за солидных размеров антенны делать быстро это нельзя. Поэтому в настоящее время для создания сканирующего луча используют фазированные антенные решётки (ФАР), которые могут создавать намного более узкий луч, чем обычные антенны, и перемещать его в пространстве намного быстрее. Как правило современные РЛС в ФАРой сканируют пространство минимум двумя лучами, один определяет азимут другой угол места.

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Решил на этом закончить, так как будет следующая статья в которой расскажу о принципах подавления помех в радиолокации. Если что-то не понятно или надо рассказать что-то подробно что я пропустил, пишите в комментариях, включу в следующую статью или отвечу в комментариях. Как всегда конструктивная критика приветствуется.

И на последок анекдот про пианиста:

Заходит кавбой в салун и видит объявление: "В пианиста не стрелять, играет как может!!!", смотрит по сторонам а самого пианиста нету. Подходит к бармэну с вопросом: "А где этот пианист?". На что бармен ему отвечает: "Да вот зашёл к нам как-то неграмотный кавбой".