Глава 7 Кибернетика, радиолокация, помехи (научно-популярный очерк)

Глава 7

Кибернетика, радиолокация, помехи (научно-популярный очерк)

108 институту исполняется 70 лет. Отечественная радиолокация – на 10 лет старше. С тех пор, когда производились первые опыты и дальность действия созданных приборов едва достигала нескольких сотен метров (Ю. К. Коровин,1933 г.) или единиц километров (Б. К. Шембель, 1934 г.), радиолокация прошла огромный путь развития. Если судить только по дальности действия, то современная аппаратура способна принимать сигналы, отражённые от целей, расположенных на расстояниях от единиц метров до нескольких тысяч километров. Сейчас практически нет таких областей в жизни страны, где бы не использовались в том или ином виде средства получения радиолокационной информации.

В гражданской сфере РЛС применяются для нужд авиации, на море – для кораблевождения, при запуске и посадке космических аппаратов, в интересах разведки и поиска природных ресурсов, в геологии и геодезии, для регулирования транспортных потоков, при астрофизических исследованиях. Вот что, например, используется в гражданской авиации[17]. Для управления воздушным движением основным средством являются импульсные РЛС с дальностью действия 300–400 км, кроме этого, в районах крупных аэропортов наблюдение ведут РЛС с дальностью 100–200 км. Эти РЛС, как правило, двухкоординатные (дальность, азимут), третья координата (угол места или высота) определяется путём запроса РЛС и активного ответа с лоцируемого объекта. Навигация по трассе может производиться теми же РЛС, но возможна и автономная навигация. Для выполнения посадки применяются специализированные РЛС, следящие за отклонением от курса и глиссады спуска. Посадочные РЛС имеют дальность в несколько десятков км, но обладают высокой точностью. Современные аэропорты обеспечены также РЛС обзора летного поля с дальностью в несколько километров, работающие в миллиметровом диапазоне волн. Высокая разрешающая способность этих РЛС обеспечивает распознавание самолётов, автомашин, движущегося персонала. Особое место занимают бортовые средства, определяющие препятствия и предотвращающие столкновения. Среди навигационных бортовых приборов, работающих на радиолокационных принципах, отметим радиовысотомер, а также доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса. Важное значение в авиации имеют метеорологические РЛС, обеспечивающие информацией о гидрометеорах (осадки, облака) и других метеопараметрах. Намечаются пути внедрения в повседневную практику автоматизированных систем на базе цифровых ЭВМ.

В военной области РЛС применяются для обнаружения и измерения координат пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, на морских просторах – ордеров и отдельных кораблей, на сухопутном ТВД – танков, автомашин, артиллерийских орудий, миномётов, движущихся колонн пехоты. Важной задачей РЛС является управление стрельбой в моторизованных, танковых, артиллерийских частях, на кораблях и подводных лодках ВМФ, в авиации во время воздушного боя, а также при прицельном бомбометании. РЛС используются для наблюдения за полем боя и координации действий отдельных воинских соединений. Решающую роль играют РЛС при пуске и наведении ракет разных классов на выбранные цели. Так, невозможен прицельный пуск зенитных ракет в ЗРК без высокоточных РЛС. Локаторы обеспечивают следование по заданной траектории крылатых ракет, радиолокационные методы в сочетании с управлением существенно повышают прицельность попадания баллистических ракет в цель, и наконец, действие РЛС дальнего обнаружения и измерения координат БЧ ракет вместе с коррекцией движения поражающего средства при помощи ЭВМ создают условия для успешной работы всей системы ПРО.

Ввиду разнообразия радиолокационных методов и средств классификация РЛС довольно сложна. Однако на некоторые критерии можно указать. Одним из таких критериев является диапазон используемых волн. В целом этот диапазон достаточно широк: от длинноволновой части радиодиапазона вплоть до области рентгеновского излучения. Большинство РЛС всё же работает в диапазоне от метровых до миллиметровых волн. Другой критерий проистекает от связки РЛС—цель. Так, наиболее распространены РЛС с активным излучением и приёмом отражённого сигнала от пассивной цели. Но могут быть системы с активным ответом (т. н. «запросные» системы). В этом случае на цели устанавливается ответчик, который по запросу РЛС излучает сигнал. Имеются пассивные РЛС с приёмным устройством, предназначенным для приёма, например, теплового излучения объекта или излучения небесных тел. Возможны и беззапросные системы, когда в РЛС имеется приемно-измерительное устройство, а передатчик находится на цели. Различают также одно – или многопозиционные РЛС. В последнем случае единый приемопередающий центр обслуживает приёмные устройства, находящиеся на удалении от него (т. н. «разнесенные» системы). Существуют и многопунктные системы навигации для самоопределения собственного положения объекта относительно опорных маяков или наземных РЛС.

Как видим, радиолокация прошла солидный путь развития. Но уже с началом эксплуатации первых РЛС наряду с полезными колебаниями от лоцируемых целей на входе РЛС стали появляться сигналы, затруднявшие или даже делавшие невозможным нормальное функционирование РЛС. Источниками этих сигналов служили мешающие отражения от местных предметов, таких как лес, кусты, постройки в зоне действия РЛС, а также морских отражений от волн, обильных дождей, снега и т. п. Но природа нарушающих сигналов могла быть и иной. Паразитными для данной РЛС являлись некоторые излучения промышленных предприятий, соседних РЛС, космических объектов.

Сигналы подобного рода получили название неорганизованных помех. В разгар Второй мировой войны появились средства борьбы с РЛС противника, включающие передатчики активных помех и дипольные отражатели. Они составили класс организованных помех. В дальнейшем вместе с развитием радиолокационной техники наблюдался и ощутимый прогресс в области противорадиолокации. От отдельных передатчиков перешли к станциям помех с анализом принимаемых сигналов и управляемым излучением, а затем к комплексам обороны объектов, включающим как радиолокационные, так и противорадиолокационные – активные и пассивные – средства защиты. Представляется, что процесс развития щита и меча следует рассматривать в совокупности или в соответствии с одной из основных философских категорий – в единстве и борьбе противоположностей. Противоположные интересы сторон, конфликтность ситуации обобщены в таком широко используемом у нас понятии как «радиоэлектронная борьба» (РЭБ). Но в чём существо этой борьбы? Есть ли единая точка зрения противоборствующих сторон на перспективы дальнейшего развития? В чём заключаются конкретные действия сторон? Вот вопросы, которые, наверное, может задать читатель, никак не связанный с проблематикой. На эти вопросы трудно ответить с помощью единых формулировок. Трудно потому, что необходимо владение понятиями общей радиотехники и смежных дисциплин, определённым математическим багажом, а это, по-видимому, недоступно для малоподготовленного читателя. И всё же автор попробует разъяснить интересы и действия сторон с помощью более общих подходов, правда, без особых надежд на успех такого рассмотрения. Общую позицию при исследовании процессов, происходящих в технике, экономике, биологии, обществе устанавливает такая наука, как кибернетика[18]. Под системой в кибернетике понимается связное объединение любых элементов. Характерными признаками кибернетической системы являются организованность и управляемость. Системы, основанные на хаотическом броуновском движении элементов, обладают нулевой организованностью, высокоразвитые живые организмы – повышенной организованностью. Управляемые системы предполагают возможность изменения своих движений под влиянием управляющих воздействий, при этом обеспечивается выбор предпочтительного движения. Что такое движение? В кибернетике это любое изменение объекта во времени или по Гегелю: движение есть изменение вообще. Состояние системы может характеризоваться набором значений величин, определяющих её поведение. Так, состояние больных простудой часто характеризуют двумя величинами: температурой и артериальным давлением, а для больных сахарным диабетом сюда прибавляют показания глюкометра. Если отложить измеренные в данный момент времени, и притом независимые, величины по осям координат, то получим пространство состояний. Для вышеуказанного примера число координат в первом случае равно двум, для второго – трём. В общем случае число измеряемых параметров обозначается n, при этом образуется n-мерное пространство состояний. При изменении состояния системы, т. е. при её движении, изображающая точка перемещается в пространстве состояний. Если система при движении может принимать в некоторой ограниченной области пространства любые значения, то такая система называется непрерывной, при фиксированных конечных значениях координат изображающей точки система превращается в дискретную. Относительно любой системы можно сказать, что на неё воздействует множество факторов. При решении каждой задачи, выполняемой системой, одни воздействия являются существенными, другие – малосущественными. Наиболее существенные внешние воздействия образуют класс входных величин или входных переменных. Точки их приложения к системе называются её входами. Различают управляющие и возмущающие воздействия. Реакция системы на входные воздействия создаёт выходные величины или переменные, точки съёма которых являются выходами системы. Обычно приводят пример, связанный с движением самолёта. Входными воздействиями на самолёт в его полёте являются положение рулей, тяговые усилия двигателей, сила и направление ветра, плотность атмосферы, из них первые два фактора – управляющие воздействия, два последних – возмущающие воздействия. Выходными величинами при транспортировке самолётом груза в заданном направлении служат курс и скорость движения, при этом цель управления – доставка груза в заданное место за оговорённое время. Другой пример – это электронный усилитель или вообще безынерционный преобразователь, выходное и входное напряжения которых связаны между собой так называемой амплитудной характеристикой. Крутизна этой характеристики в усилителе при малом напряжении входа называется коэффициентом усиления или коэффициентом передачи. Если в рабочей области входных напряжений коэффициент усиления практически не меняется, оставаясь постоянным, говорят, что усилитель работает в линейном режиме. Однако при бо?льших напряжениях входа часто наблюдается явление насыщения, и амплитудная характеристика становится нелинейной, что свидетельствует о переходе усилителя в нелинейный режим. Амплитудная характеристика безынерционного преобразователя в принципе может быть любой – линейной или нелинейной. Кроме входного напряжения на усилитель действуют внешние и внутренние возмущения в виде фона источников питания или собственных, т. е. внутренних, шумов. Влияние этих возмущений на выходное напряжение усилителя стараются уменьшить. Если усилитель состоит из набора параллельно работающих линейных усилительных каналов, имеющих в общем случае m входов и n выходов, то пространство выхода системы зависит как от пространства входа системы, так и от пространства состояний самой системы, т. е. от коэффициентов усиления с каждого входа к каждому выходу.

Кибернетика изучает поведение системы на моделях, отражающих с той или иной полнотой черты сходства с оригиналом. Подобие оригинала и модели обозначается обычно волнистой линией А – В. Существует ряд понятий, связанных с построением моделей. Так, если внутреннее содержание системы недоступно, а определяются лишь входные и выходные величины, говорят о системе как о чёрном ящике. Несмотря на отсутствие сведений о таких системах, встречаются объекты, одинаково реагирующие на внешние воздействия при одинаковом наборе входных и выходных величин. Такие системы называются изоморфными. При моделировании важно сохранение основных черт и свойств системы с одновременным упрощением в интересах проведения её анализа. Именно упрощённые или гомоморфные модели систем наиболее часто являются объектами исследований. Динамические системы, т. е. системы, переходящие из одного состояния в другое, могут находиться в одном из трёх режимов: равновесном, переходном или периодическом. Равновесный режим отличается постоянством координат системы и представляется в пространстве состояний неподвижными особыми точками или их совокупностью. Возможен также периодический (циклический) режим, когда система приходит в одно и то же состояние через одинаковые интервалы времени. Режим перехода из одного состояния в другое является переходным. По истечении переходного режима система может перейти в установившийся режим – равновесный или периодический.

Кардинальным понятием в кибернетике является устойчивость системы. Устойчивость определяет постоянство состояния системы или постоянство последовательности состояний в процессе движения. Возможен как аналитический, так и геометрический подход к проблеме устойчивости. Аналитический подход базируется на математических критериях устойчивости, среди которых фундаментальным является критерий, развитый А. М. Ляпуновым. В простейшем пересказе этот критерий звучит так: равновесное состояние устойчиво, если, начавшись вблизи него, движение никогда не достигнет границ заранее оговорённой, достаточно малой, области, окружающей точку равновесия. Геометрический метод определения устойчивых и неустойчивых особых точек равновесия, а также устойчивых и неустойчивых движений основан на построении фазового пространства. В простейшем случае фазовое пространство представляется в виде фазовой плоскости, по одной из осей которой отложена координата системы, а по другой скорость её изменения. Через каждую точку фазового пространства проходит фазовая траектория, по которой движется изображающая точка. Направление движения ориентировано к устойчивой точке равновесия или от неё – в случае неустойчивости. При периодическом движении изображающая точка движется по замкнутой кривой, называемой предельным циклом. Предельный цикл устойчив, если траектория из начального состояния направлена к нему (циклу), и неустойчив, если изображающая точка сходит с него.

Большой круг задач, исследуемых в кибернетике, связан с управлением объектами. Управление действует на объект таким образом, что улучшается его функционирование или развитие. Управляемый объект вместе с управляющим устройством образует систему управления. Управление обычно производится через исполнительные органы. Различают четыре основных типа задач управления: стабилизация, программное управление, слежение, оптимизация. При стабилизации поддерживается значение некоторой управляемой величины X вблизи неизменного параметра Х₀ в условиях негативного воздействия возмущений на указанную величину. Так, в системах энергоснабжения поддерживается величина напряжения и частота тока в сети при изменяемом потреблении энергии. Программное управление имеет место при изменении параметра Х₀ по заранее известному закону (по программе). В качестве примеров можно назвать вывод ракеты на заданную траекторию полёта, перемещение трубы телескопа по программе с учётом вращения Земли. Если зависимость Х₀ от времени заранее неизвестна и требуется возможно более точное соответствие состояния системы Х(t) изменяющемуся параметру Х₀(t), необходим процесс слежения за этим параметром. Например, управление производством товара при непредвидимых изменениях спроса, в живых организмах изменение ритма и глубины дыхания при вариациях физической нагрузки и т. д. Задача оптимизации состоит в установлении наилучшего по определённому критерию режима работы управляемого объекта. К этим задачам в экономике относятся, например, задачи максимизации прибыли, минимизации потерь сырья и другие подобные задачи.

Различают разомкнутые и замкнутые системы управления. В разомкнутых системах информация о состоянии управляемого объекта не используется в управляющем воздействии. Если эта информация закладывается в устройстве управления объектом, система называется замкнутой. В соответствии со сказанным зависимость выходной координаты Y_jj-го элемента системы от входной координаты X_ii-го элемента определяется как прямая связь от i-го элемента (вход) к j-му (выход). И наоборот, зависимость координат входного элемента от координат выходного элемента определяется в замкнутых системах как обратная связь. Различают положительную и отрицательную обратную связь в зависимости от знака её приложения в управляющем устройстве. Кроме того, возможна мгновенно действующая связь и связь с запаздыванием. В последнем случае запаздывание может обусловливаться как инерционными свойствами связи, так и наличием элементов памяти в цепи передачи. Важное значение имеют системы, созданные человеком, но работающие без его непосредственного участия, так называемые системы автоматического управления. Они состоят из объекта управления, измерителя его состояния, управляющего и исполнительного звеньев. Точность работы таких систем определяется их добротностью, т. е. произведением коэффициентов передачи прямой и обратной связи в режиме разомкнутой обратной связи. Однако повышение добротности системы может привести к уменьшению запаса её устойчивости.

Мы говорим о системе автоматического управления как о системе с установившейся структурой и предсказуемой формой поведения. Реакция таких систем определяется характером внешних воздействий и свойствами возможных возмущений. Однако в условиях изменяющихся факторов существования самой системы, в условиях частичной неопределённости среды, при которых механизмы действия системы неспособны подобрать нужную реакцию, возникает необходимость изменения структуры системы и форм её поведения. Процесс изменения свойств системы, позволяющий ей достигнуть приемлемого или даже оптимального состояния в условиях изменяющихся внешних или внутренних факторов, называется адаптацией. Яркий пример адаптации состоит в приспосабливаемости живых организмов к изменениям внешней среды или условий существования. Для технических или экономических систем адаптация выражается в виде изменения режима работы, вариаций структуры построения, смены управляющих воздействий. Одним из наиболее часто используемых приёмов при адаптации является поиск опасных воздействий или объектов, а также поиск оптимальных режимов работы.

Поиск, как правило, выполняется при определённых ограничениях. В живых организмах температура тела, артериальное давление, содержание глюкозы в крови должны находиться в заданных пределах. В технике, как и в экономике, основные параметры также ограничены по величине. В пространстве режимных параметров выделяется область, внутри которой должна находиться точка, изображающая текущий режим работы системы. Однако не все точки этой области адекватны по эффективности. Каждая система управления должна обеспечивать наибольшую эффективность по одному или нескольким критериям. Такими критериями, например, могут быть наибольшее быстродействие, минимальный расход топлива, минимальные потери сырья и т. п. В связи с этим перед системой ставится задача обеспечить наилучшее приближение к такой точке режимного пространства, в которой имеет место наибольшая эффективность по заданным критериям. Эта задача становится особенно актуальной в условиях непредсказуемого изменения значения максимальной эффективности, но при сохранении области режимных предпочтений. При поиске параметров, отвечающих наибольшей эффективности, самым простым является метод последовательного прохождения всех параметров в заданных границах. При этом вся область поиска разбивается на N ячеек, размер которых определяется точностью измерения параметров. Расчёт времени, необходимого для анализа и нахождения оптимальных значений параметров, должен проводиться с учётом того, что для установления режима следует предусматривать выдержку, конкретную для каждого параметра, Опыт показывает, что при анализе многоразмерной области параметров на последовательный поиск уходит слишком много времени, порой превышающего весь цикл работы системы. Несмотря на это, при малом числе параметров в условиях ускоренного прохождения области ввиду простоты метод последовательного анализа находит широкое применение. Для сокращения времени поиска используются многоходовые процедуры, основанные на измерении эффективности по заданному критерию и переходе к поиску по следующему параметру в критический момент начала снижения эффективности действия системы. Существуют и другие методы поиска, известные как метод градиента, метод наискорейшего спуска и т. д. Все эти методы уменьшают общее время поиска за счёт усложнения процедуры, а следовательно, и схемной реализации поиска.

Говоря о системах автоматического управления, нельзя не сказать о всё более расширяющемся классе автоматов. Автоматы выполняют целый ряд функций, но без непосредственного участия человека. Существует большая номенклатура разработанных автоматов, к которой относятся станки-автоматы, фасовочные автоматы, торговые автоматы, банкоматы и др. К автоматам можно причислить и образцы робототехники, беспилотных летательных аппаратов, самодвижущихся танков и т. д. Автоматы в своём большинстве основаны на использовании дискретной, в том числе цифровой, техники и отличаются следующими свойствами: на входах и выходах данные X и Y поступают в дискретные моменты времени и квантуются по величине, причём конечное число её фиксированных значений выбирается из входного и выходного алфавитов; промежуточные значения модели Z фиксированы и конечны, при этом они определяются как входной величиной Х в тот же момент времени, так и предыдущими значениями Z. Различают автоматы с конечной памятью и автоматы с бесконечной памятью. В основе действий автоматов лежит использование логических функций из арсенала математической логики. В последнее время получили развитие адаптирующиеся автоматы. Промежуточные состояния модели таких автоматов Z зависят от случайной среды и меняются с изменением выхода. С появлением ошибок назначаются штрафные санкции, подаваемые на вход. Вследствие этого вероятность наказания снижается, а модель как бы «приспосабливается» к изменениям среды. С началом развития моделирования стали создаваться модели автоматов, отражающих функционирование живых организмов. Моделирование нейронов, объединённых в нервные сети, основано на использовании дискретной техники, логических функций, реализующих взаимодействие отдельных нейронов и пороговых элементов, моделирующих процесс возбуждения нервных клеток. Наиболее удачными считаются вероятностные (стохастические) модели и среди них модели, называемые персептронами. Они обладают памятью и имеют случайную структуру связи между элементами. Персептрон оказался одним из первых автоматов, способных учиться распознаванию образов.

Обучение как вероятностный процесс обычно рассматривается в параллель с процессом адаптации[19]. Известны автоматы для обучения распознаванию образов, автоматы для обучения целесообразному поведению путём введения «оценок» при поощрении или наказании. В общем случае учитель (обучающий) передаёт знания ученику (обучаемому) в виде алгоритма решения задачи или сообщает эти знания при помощи примеров. Второй метод считается более эффективным. Мы им будем пользоваться в дальнейшем.

Когда на автоматическую систему воздействуют случайные нежелательные возмущения и она борется с ними, предполагается, что других влияющих на это систем нет. Нередки, однако, случаи функционирования двух систем, «интересы» которых противоположны. При этом управляющие воздействия, вырабатываемые каждой из систем, могут оказаться вредными для другой стороны. Это представляет собой пример так называемой конфликтной ситуации. Конфликты возникают в живой природе, в военной области, при экономической конкуренции. В этих условиях, при наличии признаков борьбы, управляемая система на основе выбранной стратегии вырабатывает реакцию наибольшего благоприятствования при самых неблагоприятных действиях оппонента. В теоретическом плане исследованиями возможных стратегий занимается теория игр. Наиболее продвинутой является теория парных игр с нулевой суммой, где выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. Возможные выигрыши при такой игре определяются платёжной матрицей m x n, где m действиям игрока А (m строк матрицы) противопоставляются n действий игрока В (n столбцов матрицы). Оптимальная стратегия, называемая стратегией минимакса, для игрока А состоит в выборе максимального элемента матрицы по строкам из минимальных по столбцам, а для игрока В – минимального по столбцам из максимальных по строкам. Если в матрице имеется элемент, который является одновременно максимальным для игрока А и минимальным для игрока В, то говорят, что матрица содержит седловую точку, соответствующую чистой стратегии. При отсутствии седловой точки возможно случайное применение с заданными вероятностями тех или иных чистых стратегий. В этом случае имеет место смешанная стратегия. При такой стратегии возможно доминирование одного из игроков.

Перейдём теперь от обобщающих задач кибернетики к проблемам радиолокации и противорадиолокации. Здесь я должен заметить, что весь приведённый ниже материал имеется в открытых публикациях, и все непростые усилия автора были направлены на поиск и компоновку добытых сведений и представлении их в возможно более доступном виде для широкого читателя.

Начнём со свойств радиолокационных сигналов, в том числе сигналов, отражённых от радиолокационных целей. Вообще, сигнал является средством передачи информации от одного объекта к другому. Сигнал передаёт сообщения по каналу связи. Мера количества информации, передаваемых сигналом, зависит от вероятностей поступления сообщений. Если одно из n поступающих сообщений достоверно (с вероятностью единица), а вероятности поступления других (n – 1) сообщений соответственно равны 0 (т. к. р₁ + р₂ + … + р_n = 1), то среднее количество информации равно нулю. Численно количество информации определяется суммой произведений вероятности сообщения на её логарифм. Основанием логарифма является число два, в физике часто используются натуральные логарифмы. При двух равновероятных событиях р₁ = р₂ = р = 0,5, количество информации

Н = – р₁log₂p₁ – р₂log₂p₂ = 1 бит.

Генерируемый передатчиком РЛС сигнал в простейшей форме (известной нам из основ тригонометрии) может быть представлен с помощью одной из гармонических функций (Sin или Cos) в виде u(t) = ACos(?t + ?), где А – амплитуда сигнала, ? – частота, t – время, ? – фаза. В написанном виде сигнал относится к непрерывным сигналам, ибо время t пока ничем не ограничено, а параметры сигнала постоянны. Однако параметры гармонического сигнала могут со временем меняться по тому или иному закону или, как говорят в радиотехнике, модулироваться. Например, амплитуда А может быть промодулирована около некоей постоянной величины А₀, т. е. А(t) = А₀ + A_mSin?t, где обычно ? < ?, а глубина модуляции A_m << А₀. Но модуляция амплитуды может иметь и 100 % глубину. Так, если произвести амплитудную модуляцию исходного сигнала периодической последовательностью импульсов длительностью ? и частотой повторения F, получим вместо непрерывного импульсный радиосигнал, состоящий из набора высокочастотных импульсов с указанными длительностью и частотой следования. Аналогичным образом может модулироваться частота сигнала ? = ?(t₀) или его фаза ? = ?(t). Могут быть и смешанные модуляции, например по амплитуде и частоте.

Радиолокационным сигналам и методам их модуляции посвящена большая литература[20], с которой пытливый читатель может ознакомиться. Мы здесь скажем о другом. Модуляция, которой наделён радиолокационный сигнал на передающем конце канала связи, может быть извлечена на приёмном его конце с помощью детектирования. Амплитудный детектор позволяет получать информацию, заложенную при амплитудной модуляции. Так, на его выходе образуется импульсное или постоянное напряжение в зависимости от того, какой сигнал принят: импульсный или непрерывный. Для выделения из принятого сигнала частотной модуляции (ЧМ) используются частотные детекторы, называемые также частотными дискриминаторами. Если сигнал имеет фазовую модуляцию (ФМ), то для его детектирования необходим фазовый детектор, обладающий двумя входами. На первый вход подаётся принятый ФМ сигнал, а на другой вход опорный сигнал с той же несущей частотой ?, но с постоянной фазой ? = ?₀.

Но вот передатчик РЛС сформировал высокочастотный сигнал, который поступает в антенну. Задача антенны состоит в создании узкого луча, с помощью которого производится поиск и обнаружение цели, а затем определение её угловых координат. Чем более острый луч направлен на цель или, как говорят специалисты, чем меньше ширина диаграммы направленности антенны (ДНА), тем точнее измеряются координаты цели. Максимум ДНА определяет коэффициент усиления антенны. Однако антенна характеризуется и другими параметрами, такими как уровень боковых лепестков, секторы медленного поворота и быстрого качания луча, поляризация излучаемой волны.

Создаваемая антенной волна, падая на цель, рассеивается во всех направлениях, в том числе и в направлении на РЛС. Возникающее вторичное поле зависит от размеров и формы отражающего объекта – цели, от длины волны и её поляризации.

Остановимся сначала на понятии поляризации волны. Волна электромагнитного поля, распространяющаяся в той или иной среде, имеет определённым образом ориентированный вектор напряжённости электрического поля. В ряде случаев созданное поле имеет вертикально ориентированный вектор напряжённости ?(t). Это означает, что в каждой точке распространения волны вектор Е(t) направлен по вертикали, а модуль (величина) вектора меняется во времени от положительного до отрицательного значения, и в обратном направлении со сверхвысокой частотой задающего колебания. Поле с такой ориентацией вектора ?(t) называется вертикально-поляризованным. Аналогично, при горизонтально-ориентированном векторе напряжённости электрического поля имеем случай горизонтальной поляризации. Когда же вектор ?(t) наклонён по отношению к осям координат, т. е. имеет составляющие по обеим осям, а фазы этих составляющих одинаковы, говорят, что поле линейно-поляризовано. При этом угол наклона результирующего вектора определяется соотношением амплитуд составляющих векторов. Наконец, если фазы и амплитуды ортогональных векторов различны, конец результирующего вектора описывает эллипс. Период возврата в любой фиксированной точке этого эллипса обратно пропорционален частоте задающего колебания. Компоненты эллиптически-поляризованной волны обычно записываются в виде вектор-столбца. При отражении волны от объекта (цели) энергия вертикально поляризованной компоненты переходит в энергию как вертикально-поляризованной, так и горизонтально-поляризованной составляющей поля. То же самое происходит и с энергией горизонтально-поляризованной компоненты падающего поля, при этом также появляются перекрёстные составляющие. Следовательно, в общем случае при отражении от объекта имеет место деполяризация падающей волны. Комплексные коэффициенты отражения составляют поляризационную матрицу рассеяния. Её произведение на вектор-столбец падающей волны позволяет получить компоненты отражённого поля.

Пусть РЛС излучает и принимает сигналы одной и той же поляризации. Отражающие свойства объекта в этом случае характеризуются отношением плотностей потока мощности отражённой волны (на входе РЛС) и падающей волны (у цели). Если умножить это отношение на 4?R², где R – расстояние РЛС-цель, то получим эффективную площадь рассеяния цели ?_ц, сокращённо называемую ЭПР. В качестве простейшего объекта, моделирующего процесс отражения, возьмём шар с диаметром Д_ш = 2r_ш. Если r_ш << ?, то волна огибает шар и преобладают дифракционные явления. При этом ?_ц пропорциональна отношению Д⁶_ш/?⁴. С увеличением диаметра шара ЭПР изменяется сначала по затухающему колебательному закону (резонансная область), а затем когда r_ш >> ?, ?_ц становится равной видимой площади шара, т. е. ?_ц = ?r²_ш. Линейная поляризация подающего поля сохраняется у волны, отражённой от сферы. При круговой поляризации волна, отражённая от объекта идеальной сферической формы, меняет направление вращения на противоположное. Представляют интерес значения ?_ц для сложных целей. Так, малый самолёт имеет до 5 м², большой самолёт – до 50 м², крупный корабль до 10 000 м², человек ~ 1 м². Для дальней радиолокации цели имеют в основном точечный характер. В случае ближней радиолокации необходимо учитывать реальные размеры объекта, и часто его представляют как пространственно-распределённую цель.

Перейдём теперь к проблемам обзора и обнаружению цели в РЛС. Начнём с однолучевого обзора. Если антенна РЛС формирует узкий иглообразный или веерообразный луч, то для обнаружения цели в заданной области пространства необходимо произвести сканирование по азимуту, углу места или последовательно по обеим координатам. Последовательный характер перемещения луча в пространстве является особенностью этого вида обзора. Наиболее простым является круговой обзор, при котором луч антенны вращается в азимутальной плоскости, многократно совершая полный оборот на 360°. При этом угловая скорость вращения луча РЛС должна выбираться с учётом поступления в РЛС необходимого числа отражённых от цели импульсов, что также зависит от ширины самого луча и частоты повторения импульсов. Обычно круговое вращение луча производится в медленном темпе так, что трудностей с получением требуемой пачки отражённых импульсов не возникает. Сложнее обстоит дело в случае секторного обзора, при котором для обеспечения слитной немелькающей картины отметок от целей на экране индикатора требуется повышенная скорость развёртки луча. При необходимости перекрытия рабочей зоны пространства игольчатым лучом в двух плоскостях более быстрое круговое вращение луча по азимуту сочетается с медленным перемещением по углу места. В сравнительно небольшом угломестном секторе скорость перемещения луча при этом не должна допускать потери цели. В секторном варианте сканирования имеет место растровый метод обзора в двух плоскостях. Игольчатый луч совершает быстрое движение по строкам и медленное по кадрам (в другой плоскости). Выбор быстрого движения производится по той координате, где требуется более высокая точность. Возможен и смешанный метод секторного обзора. Для этого используется антенный пост с двумя антеннами. Первая антенна имеет веерообразный луч с узкой диаграммой по азимуту, вторая антенна создаёт узкую диаграмму по углу места. Сканирование в антеннах производится в плоскости узких диаграмм. Каждый из операторов снабжён своим индикатором, где производится засечка целей с точным определением угловых координат и дальности. Для выбранной цели, имеющей одинаковую дальность засечки, на обоих индикаторах определяется азимут и угол места.

В авиационных системах используется коническое сканирование, а переход к нему может производиться путём спирального обзора.

Говоря об авиационных РЛС, следует отметить некоторые особенности обзора земной поверхности. Первая особенность состоит в том, что при круговом обзоре минимальная задержка отраженного сигнала определяется высотой полёта H, вследствие чего на индикаторе образуется яркое кольцо радиусом H, внутренняя часть которого затемнена. Для лучшего использования площади экрана начало развёртки по дальности задерживают относительно зондирующего импульса так, чтобы высотное кольцо стянулось бы в точку. Такая процедура называется режимом «закрытия центра». При этом, однако, ухудшаются заметность и размещение объектов, находящихся вблизи центра. Поэтому предусмотрен и другой режим – режим опережения развёртки с выносом центральных отметок ближе к середине экрана. Этот режим соответствует «открытию центра». Другая особенность высотного обзора земли или моря состоит в искажении дальностных характеристик лоцируемых объектов. Наклонная дальность, измеряемая РЛС, достаточно близка к горизонтальной дальности только на малых высотах полёта. Ввиду нелинейной зависимости наклонной дальности от горизонтальной на больших высотах наблюдаются искажения обозреваемой местности на экране индикатора, что особенно проявляется на малых дальностях вблизи центра. Для уменьшения искажений ток катушек развёртки по строкам корректируется с заменой начального линейного участка на изменяющийся по гиперболическому закону. Третьей особенностью рассматриваемых РЛС является низкая тангенциальная разрешающая способность на больших дальностях. Этим грешат, впрочем, и РЛС других типов. Объяснение такому явлению довольно простое. Ширина луча антенны в радианах определяется отношением длины волны к диаметру антенны d, что на дальности D даёт размер хорды ?D/d. Например, антенна с размером 1 м при волне 3 см перекрывает на дальности 100 км участок в 3 км.

Чтобы улучшить тангенциальную разрешающую способность РЛС, необходимо увеличить размер антенны, однако это ограничено возможностями летательных аппаратов. Перспективы открываются в РЛС бокового обзора с синтезированной антенной. Давно известно, что для сканирования луча с помощью фазированной антенны решётки (ФАР), состоящей из n эквидистантных вибраторов, необходимо линейное наращивание фазы по длине решётки, причём пропорциональное отклоняемому углу (для малых углов). Эффективная апертура (размер) такой антенны равна произведению числа вибраторов на шаговый интервал. Чем больше это произведение, тем уже главный лепесток антенны. Так вот, антенна РЛС бокового обзора в когерентном режиме при каждом излучении импульса становится элементом или вибратором некоторой воображаемой антенной решётки. Расстояние между элементами этой фиктивной решётки определяется движением носителя. Запоминая фазу и амплитуду отражённых сигналов, а затем когерентно их суммируя синфазно с перемещением аппарата-носителя, получим синтезированную решётку очень большой эффективной длины. Как показали эксперименты, качество изображения местности, снятое с помощью подобных РЛС, приближается к качеству аэрофотосъёмки.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.