Радардағы дәлдікті арттыру жүйесі

Кіріспе

Радардағы дәлдікті арттыру үшін қолданылатын жүйе. Конустық сканерлеу – радардың алғашқы құрылғыларында олардың дәлдігін арттыру және антеннаны нысанаға дұрыс бағыттауды жеңілдету үшін қолданылатын жүйе. Конустық сканерлеу тұжырымдамасы, кейбір ең алғашқы радарларда қолданылған бұрынғы лобтық ауыстыру тұжырымдамасына ұқсас. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде, әсіресе неміс Вюрцбург радарында, лобтық ауыстыру жиынтықтарының көптеген мысалдары конустық сканерлеуге өзгертілді. Антеннаны басқару американдық SCR 584 сияқты толығымен автоматты түрде жүзеге асырылуы мүмкін. Жүйедегі мүмкін болатын қателік түрлері және қарсы шараларға бейімділігі конустық сканерлеу жүйелерін моноимпульстік радарлық жиынтықтармен алмастыруға алып келді. Олар әлі де Deep Space Network желісі арқылы ғарыш зондтарымен байланыс орнату үшін қолданылады. Айналмалы тұрақтандырылған Pioneer 10 және Pioneer 11 зондтары өз орбитасындағы Жерді бақылау үшін конустық сканерлеу маневрлерін пайдаланды.

Тұжырымдама

Радар антеннасының кеңдігі әдетте бірнеше градусқа тең болады. Бұл ерте ескерту жүйесі үшін жеткілікті болғанымен, 0,1 градусқа дейін дәлдік қажет болатын қаруды бағыттау үшін мүлдем жеткіліксіз. Үлкен антенналарды пайдалану арқылы сәуленің кеңдігін жақсартуға болады, бірақ бұл көбінесе қиынға соғады. Белгіленген нысананың бағытын қадағалау үшін антеннаны тікелей нысанаға бағыттау жеткілікті. Антеннаның бағыттау бағытын білу арқылы нысананың бағытын анықтауға болады. Радар жүйесінің қозғалатын нысананы автоматты түрде қадағалауы үшін, антенна сәулесін нысана қозғалған сайын оған бағыттап тұратын басқару жүйесі қажет. Радар қабылдағышы нысана сәуленің ортасында болғанда максималды кері сигнал күшін алады. Егер сәуле тікелей нысанаға бағытталған болса, нысана қозғалғанда сәуленің ортасынан шығып, қабылданған сигналдың күші төмендейді. Қабылданған сигнал күшінің төмендеуін бақылайтын схема антеннаны нысананың қозғалысын қадағалауға бағыттайтын сервомоторды басқару үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдісте үш қиындық бар:

Радар нысананың қай бағытта қозғалғаны туралы ақпаратты алмайды, демек антеннаны қай бағытта жылжыту керектігін көрсетпейді. Нысана сәуленің ортасынан алыстағанда, қабылданған қуат бастапқыда өте баяу өзгереді. Сондықтан жүйе антеннаның бағыттау қатесіне төмен сезімтал. Сцинтилляцияға байланысты нысана эхо қуатының өзгеруі нысананың қозғалысы ретінде қабылданады.

Конустық сканерлеу

Бұл мәселені шешу үшін радиолокациялық сәулені антеннаның орта сызығынан сәл ығыстырып, оны айналдырады. Мысалы, 2 градус ені бар сәуле тудыратын антенна болса – бұл жиі кездесетін жағдай – конустық сканерлеу радары сәулені орта сызықтан бір жаққа 1,5 градусқа жылжытуы мүмкін. Нәтижесінде пайда болатын үлгі, кез келген уақытта антеннаның орта сызығының шамамен 0,5 градусын және 1,5 градусқа қарайтын бөлігін қамтиды. Қоректендіру мүйізін мотормен айналдыру арқылы, үлгі орта сызыққа бағытталған, 3 градусқа дейін созылатын конусқа айналады. Басты принцип – орта сызықта орналасқан нысана, жасушаның қай бағытта екеніне қарамастан, тұрақты сигнал береді. Ал егер нысана бір жақта болса, жасуша сол бағытқа бағытталғанда күшті сигнал, ал кері бағытталғанда әлсіз сигнал береді. Сонымен қатар, орта сызықты қамтитын бөлік радар жасушасының шетіне жақын орналасқан, онда сезімталдық тез төмендейді. Сәуледе орталықта орналасқан ұшақ, тіпті кішкентай қозғалыстарда да сигналдың айқын өзгеруіне себеп болады, радардың қозғалуын қажет ететін бағытта сигнал күшейеді. Антеннаны басқару жүйесі антеннаны азимут және биіктік бойынша жылжытуға реттелген, осылайша бақыланатын ұшақтан тұрақты сигнал алуға болады. Жасушаның негізгі бөлігін ғана пайдалану операторға ең күшті сигналды "іздеуге" және антеннаны жасушаның ортасындағы "максималды сигнал" аймағында бір градусқа дейін бағыттауға мүмкіндік берсе, конустық сканерлеу арқылы әлдеқайда кіші қозғалыстарды анықтауға болады және 0,1 градусқа дейін жоғары дәлдікке қол жеткізуге болады.

Құрылыс

Антеннаның орта сызығынан сәуленің бағытын өзгертудің екі жолы бар. Біріншісі – айналмалы қоректендіргіш. Аты айтқандай, қоректендіру мүйізі параболалық фокус нүктесінен сәл ығыстырылып орналастырылады, бұл энергияның антеннаның орта сызығынан сәл ауытқуына себеп болады. Содан кейін қоректендіргіш параболоидтың фокус нүктесінің айналасында айналдырылып, конустық айналу жасалады. Екінші жүйе – тербелмелі қоректендіргіш. Тербелмелі қоректендіргіш антеннаны бекітілген қоректендіру мүйізіне бұрышпен орналастырып, содан кейін антеннаны айналдырады. Тербелмелі қоректендіргіштің бір түрі қоректендіргішті кішкентай шеңберде жылжытады, бұл сәуленің бағытын жылдам және үздіксіз өзгертеді. Бұл жағдайда қоректендіргіш де, антенна да антеннаның бағыттау осінің айналасында айналмайды; тек бағыттау бағыты ғана өзгереді, тар конус бойынша із салады. Екі негізгі схеманың арасындағы басты айырмашылық поляризацияда. Айналмалы процесте қоректендіру мүйізінің айналуымен бірге поляризация да өзгереді, сондықтан қоректендіргіш бастапқы осінен 90 градусқа бұрылғанда поляризация 90 градусқа өзгереді. Тербелмелі қоректендіргіште қоректендіру мүйізі бекітілгендіктен, поляризациялық өзгерістер болмайды. Көптеген алғашқы жүйелер механикалық қарапайымдылығына байланысты айналмалы қоректендіргішті пайдаланған, бірақ кейінгі жүйелер көбінесе поляризациялық ақпаратты пайдалану үшін тербелмелі қоректендіргіштерді қолданған. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің Mk. 25 артиллериялық өртті басқару радарында спиральді сканерлеу режимі нысананы анықтауға көмектескен. Негізінен конустық сканерлеу (айналмайтын тербелмелі қоректендіргіштің түрі), сканерлеу конусының мөлшері циклды түрде секундына шамамен екі рет ұлғайып, азайды. Сканерленген аймақ барлығында бірнеше градусқа жетеді. (Нысана анықталғаннан кейін оператор оны қадағалау үшін конустық сканерлеуге ауысты.) Лоб антеннаның орта сызығы бойынша айналып тұрғандықтан, конустық сканерлеу тек дөңгелек қималы антенналар үшін ғана қолайлы. Вюрцбург радары микротолқынды аймақта жұмыс істеді және осыған сай келеді. Басқа күштердің көпшілігі өте үлкен параболалық антенналарды қажет ететін ұзын толқынды радарларды пайдаланды, сондықтан олар пассивті рефлектордың алдында орналасқан көптеген кішкентай дипольдік антенналардың "серіппелі" орналасуын қолданды. Мұндай жүйеде конустық сканерлеуді жүзеге асыру үшін барлық дипольдерді жылжыту қажет, бұл іс жүзінде мүмкін емес. Осы себепті АҚШ әскері SCR 268 алғашқы қару-жарақ орнату радарын пайдаланудан бас тартты. Бұл аса маңызды емес еді, өйткені олар Тицард миссиясынан кейін өздерінің микротолқынды радарларын енгізу процесінде болды. SCR 584 радарында MIT радиациялық зертханасы автоматты қадағалауды енгізді. Антеннаның автоматты бағыттауы және осылайша кез келген байланысты қару-жарақтар конустық сканерлік радарға көп қиындықсыз қосылуы мүмкін. Басқару жүйесі антеннаны нысанадан тұрақты амплитудалық сигналды алу үшін бағыттауы керек. Алайда, кері қайтарылған сигналдың өзгеруіне әсер ететін бірнеше факторлар бар. Мысалы, нысана ұшағының бағытындағы өзгерістер фюзеляждың әртүрлі бөліктерін антеннаға ұсынуы мүмкін, бұл кері қайтарылатын сигналдың мөлшерін күрт өзгертеді. Мұндай жағдайларда конустық сканерлік радар күштің өзгеруін позицияның өзгеруі ретінде қабылдауы мүмкін. Мысалы, егер ұшақ сол жақтан оське ауысқан кезде кенеттен "жарықтанса", егер бұл өзгеру жасуша сол бағытта туралған кезде орын алса, схема мұны оңға ауысқан деп қабылдауы мүмкін. Бұл мәселені бір мезгілде екі қабаттасқан қабылдағыш сәулелерін пайдалану арқылы шешуге болады, өйткені ол әрқашан бір импульстен сигнал күшінің өзін салыстырады, осылайша сигнал күшінің мүмкін емес жылдам өзгерістеріне байланысты проблемаларды жояды.

There are two ways to cause the redirection of the beam from the antenna's midline. The first is referred to as a rotated feed. As its name suggests, a feed horn is set just off the parabolic focal point which causes the energy to focus slightly off the antenna midline. The feed is then rotated around the focal point of the paraboloid to produce the conical rotation. The other system is a nutated feed. A nutated feed offsets the antenna at an angle to a fixed feed horn, and then rotates the antenna. A variation of a nutated feed makes the feed move in a small circle, rapidly and continuously changing the pointing direction of the beam. In this latter type, neither the feed nor the antenna revolves around the pointing axis of the antenna; only the pointing direction changes, tracing out a narrow cone. The primary difference between the two basic schemes is in polarization. As the feed horn in the rotated process spins, the polarization changes with the rotation and will thus be 90 degrees off in polarization when the feed is 90 degrees off its initial axis. As the feed horn is fixed in nutated feeds, no polarization changes occur. Most early systems used a rotated feed, due to its mechanical simplicity, but later systems often used nutated feeds in order to use the polarization information. In the U. S. Navy Mk. 25 gun fire control radar, spiral scan mode aided target acquisition. Basically conical scan (of the non revolving nutating feed type), the size of the scan cone cyclically increased and decreased roughly twice a second. The scanned area was several degrees, in all. (Once the target was acquired, the operator switched to conical scan for tracking.) Since the lobe is being rotated around the midline of the antenna, conical scanning is only really appropriate for antennas with a circular cross section. This was the case for the Würzburg, which operated in the microwave region. Most other forces used much longer wavelength radars that would require paraboloid antennas of truly enormous size, and instead used a "bedspring" arrangement of many small dipole antennas arranged in front of a passive reflector. To arrange conical scanning on such a system would require all of the dipoles to be moved, an impractical solution. For this reason the US Army simply abandoned their early gun laying radar, the SCR 268. This was not particularly annoying, given that they were in the process of introducing their own microwave radar in the aftermath of the Tizard Mission. In the SCR 584, the MIT Radiation Laboratory introduced automatic tracking. Automatic guidance for the antenna, and thus any slaved guns or weapons, can be added to a conical scan radar without too much trouble. The control system has to steer the antenna such that a constant amplitude return is received from the target. Unfortunately there are a number of factors that can dramatically change the reflected signal. For instance, changes in the target aircraft's direction can present different portions of the fuselage to the antenna, and dramatically change the amount of signal being returned. In these cases, a conical scan radar might interpret this change in strength as a change in position. For instance, if the aircraft were to suddenly "brighten" when it was off axis to the left, the circuitry might interpret this as being off to the right if the change occurs when the lobe is aligned in that direction. This problem can be solved by using two simultaneous overlapping receiver beams leading to the monopulse radar, so named because it always compares signal strength from a single pulse against itself, thereby eliminating problems with all but impossibly fast changes in signal strength.

Тек қана қабылдау үшін конустық сканерлеу (COSRO)

COSRO жүйелері антеннадан жіберілетін сигналды өзгертпейді. COSRO жүйелеріндегі антенна толқын жетектері RF қабылдағыш мұздатқыш құрылымын қамтиды, ол сол/оң RF қабылдау үлгісін және жоғары/төмен RF қабылдау үлгісін тудырады. Бұл екі сигнал айналмалы жалақшасы бар толқын жетекші құрылымда мультиплекстеледі. Мултиплекстік құрылғының шығысы – бір RF сигнал және солға/оңға және жоғары/төменге бағытты көрсететін екі позициялық сигнал. COSRO техникасы айналмалы жалақшаның орнын көрсететін ешқандай сигналдарды жібермейді.

Антеннадан сынама алу

Көптеген тарату импульстерінен радиожиілік қабылдау сигналдары математикалық түрде тік және көлденең сигналдарды жасау үшін біріктіріледі. Тік сигнал, жалаң/қоректендіргіш жоғары бағытта болғанда радиожиілік үлгілерін қосу арқылы, ал төмен бағытта болғанда радиожиілік үлгілерін алып тастау арқылы құрастырылады. Көлденең сигнал, жалаң/қоректендіргіш сол жаққа бағытталғанда радиожиілік үлгілерін қосу арқылы, ал оң жаққа бағытталғанда радиожиілік үлгілерін алып тастау арқылы құрастырылады. Бұл антеннаны орналастыру жетек қозғалтқыштарын басқаруға қолданылатын бұрыштық қателік сигналдарын тудырады.

Жағдайдың бұзылуы

Конустық сканерлеу радарларын бұғаттау оңай. Егер нысана радардың жалпы жұмыс параметрлерін білсе, радар лобісі сияқты өсіп, әлсірейтін, бірақ күші кері шағылысқан жалған сигналды жіберуге болады. Яғни, жалған сигнал радар сигналы ең әлсіз болғанда (антенна ұшаққа қатысты "алыс жағында" болғанда) ең күшті болады, ал сигнал ең күшті болғанда (ұшаққа бағытталғанда) ең әлсіз болады. Радар қабылдағышындағы "нақты" сигналмен қосылғанда, нәтижесіндегі сигнал "әрқашан күшті" болады, сондықтан басқару жүйесі нысананың лоб үлгісінде қайда орналасқанын дәл бағалай алмайды. Бұл аппараттық құралда іске асыру көрінетіндей қиын емес. Егер сигнал минутына 25 айналыммен айналатынын білсек, Вюрцбург радарында болғандай, тосқауылдағыш максимумнан нөлге дейін соған сай жылдамдықпен, минутына 25 рет әлсіреуге құрылады. Содан кейін сигналдарды синхрондау қажет, бұл сигналдың ең төмен нүктесін іздеу арқылы жасалады (әдетте табу оңай) және сол нүктеде үлгіні іске қосу арқылы. Бұл жүйе кері күшпен бұғаттау деп аталады және екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Корольдік әуе күштері Вюрцбург радарларына қарсы қолданды. Радарды осылай орнатуға болады, чтобы лобтар таратушыда қозғалмасын, тек қабылдағышта ғана. Мұны істеу үшін, тек қабылдау үшін айналатын лобтары бар екінші антенна қосылады, бұл COSRO жүйесі деп аталады (тек қабылдау кезінде конустық сканерлеу, LORO-мен салыстырыңыз, бұл лобтарды ауыстыру радарларына қарсы қолданылатын ұқсас жүйе). Бұл әуедегі тосқауылдағышқа лоб жиілігі туралы ақпаратты бермейді, бірақ кездейсоқ импульстарды жіберіп, осылайша бақылау жүйесін (немесе операторды) шатастыруға болады. Бұл SSW (Swept Square Wave) деп аталатын техника, ол кері күшпен қорғағандай тиімді емес, бірақ ештеңеден жақсы және көбінесе тиімді.