Введение

Тип радиолокационной системы

Импульсно-доплеровский радиолокатор – это радиолокационная система, определяющая дальность до цели посредством измерения времени распространения импульсов и использующая эффект Доплера отраженного сигнала для определения скорости объекта. Он объединяет характеристики импульсных и непрерывных радиолокаторов, которые ранее были разделены из-за сложности электронной аппаратуры. Первый серийный импульсно-доплеровский радиолокатор был установлен на CIM 10 Bomarc – американской сверхзвуковой ракете большой дальности с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, оснащенной ядерным боеприпасом W40 для уничтожения крупных формаций вражеских самолетов. Системы импульсного доплера впервые получили широкое распространение на истребителях, начиная с 1960-х годов. Более ранние радиолокаторы использовали измерение времени распространения импульсов для определения дальности и угол антенны (или аналогичные методы) для определения азимута. Однако это работало только при отсутствии направления антенны вниз; в этом случае отражение от земли заглушало сигналы от других объектов. Поскольку земля движется с той же скоростью, но в противоположном направлении самолета, применение доплеровских методов позволяет отфильтровывать отражение от земли, обнаруживая самолеты и транспортные средства. Это обеспечивает импульсно-доплеровским радиолокаторам возможность "обзора сверху вниз и поражения целей". Дополнительным преимуществом в военных радиолокаторах является снижение передаваемой мощности при сохранении приемлемой производительности, что повышает скрытность радиолокатора. Методы импульсного доплера также широко используются в метеорологических радиолокаторах, позволяя определять скорость ветра по скорости осадков в атмосфере. Импульсно-доплеровский радиолокатор также является основой радиолокаторов с синтезированной апертурой, применяемых в радиолокационной астрономии, дистанционном зондировании и картографии. В системах управления воздушным движением они используются для отделения сигналов от самолетов от помех. Помимо вышеупомянутых применений в области наблюдения, импульсно-доплеровский радиолокатор успешно применяется в здравоохранении, например, для оценки и обнаружения риска падения, в целях ухода за пациентами или для клинических исследований.

История

Самые ранние радарные системы не работали должным образом. Причиной тому оказались доплеровские эффекты, ухудшающие характеристики систем, не рассчитанных на работу с движущимися объектами. Быстро движущиеся объекты вызывают сдвиг фазы передаваемого импульса, что может приводить к гашению сигнала. Эффект Доплера оказывает максимальное негативное влияние на системы индикации движущихся целей, которым необходимо использовать обратный сдвиг фазы для доплеровской компенсации в детекторе. Также было установлено, что доплеровские погодные эффекты (осадки) ухудшают работу как обычных радаров, так и радаров с индикацией движущихся целей, что может маскировать отражения от самолетов. Это явление было адаптировано для использования в метеорологических радарах в 1950-х годах после рассекречивания некоторых систем времен Второй мировой войны. Пульсодоплеровский радар был разработан во время Второй мировой войны для преодоления ограничений путем увеличения частоты повторения импульсов. Это потребовало разработки клистрона, трубки бегущей волны и твердотельных устройств. Ранние пульсодоплеры были несовместимы с другими мощными микроволновыми усилителями, не являющимися когерентными, но были разработаны более сложные методы, записывающие фазу каждого передаваемого импульса для сравнения с отраженными сигналами. Ранними примерами военных систем является AN/SPG 51B, разработанный в 1950-х годах специально для работы в условиях урагана без снижения производительности. Система управления огнем Hughes AN/ASG 18 представляла собой прототип бортовой радиолокационной/комбинированной системы для планируемого североамериканского перехватчика XF 108 Rapier для ВВС США, а затем и для Lockheed YF 12. Первый пульсодоплеровский радар в США, эта система обладала возможностью обзора вниз и пуска ракет, а также могла отслеживать одну цель одновременно. Использование пульсодоплеровского радара на самолетах стало возможным после включения цифровых компьютеров в конструкцию. К середине 1970-х годов пульсодоплер обеспечил возможность обзора вниз и пуска ракет для поддержки ракетных комплексов "воздух-воздух" в большинстве современных военных самолетов.

Измерение дальности

Импульсные доплеровские системы измеряют расстояние до объектов, определяя время, прошедшее между отправкой импульса радиоэнергии и приемом отраженного сигнала. Радиоволны распространяются со скоростью света, поэтому расстояние до объекта равно времени, прошедшему в пути, умноженному на скорость света и деленному на два – туда и обратно.

Преимущества

Скорость отбрасывания выбирается в импульсных допплеровских системах обнаружения воздушных целей, поэтому объекты, скорость которых ниже этого значения, не будут обнаружены. Луч антенны в один градус освещает миллионы квадратных футов местности на расстоянии 10 миль (16 км), что приводит к тысячам обнаружений на горизонте или ниже него, если не используется эффект Доплера. Импульсный допплеровский радар использует следующие критерии обработки сигнала для исключения нежелательных сигналов от медленно движущихся объектов. Это также известно как подавление помех. Скорость отбрасывания обычно устанавливается немного выше преобладающей скорости ветра. Пороговое значение скорости значительно ниже для метеорологических радаров. В бортовом импульсном допплеровском радаре пороговое значение скорости корректируется на величину скорости самолета относительно земли, где – угол между положением антенны и траекторией полета самолета. Отражения от поверхности присутствуют практически во всех радарах. Наземные помехи обычно проявляются в виде круговой области радиусом около 40 км вблизи наземного радара. Это расстояние значительно больше для воздушных и космических радаров. Помехи возникают из-за отражения радиоэнергии от земной поверхности, зданий и растительности. Помехи включают в себя погодные явления в радарах, предназначенных для обнаружения и отслеживания воздушных и космических аппаратов. Помехи создают уязвимую зону в радиолокаторах с амплитудно-временной обработкой сигнала. Радарные системы, не использующие эффект Доплера, не могут быть направлены непосредственно на землю из-за чрезмерного количества ложных тревог, которые перегружают компьютеры и операторов. Чувствительность необходимо снижать вблизи источников помех, чтобы избежать перегрузки. Эта уязвимость начинается в приземной области на несколько диаграмм направленности антенны выше горизонта и простирается вниз. Она также присутствует во всем объеме движущегося воздуха, связанного с погодными явлениями. Импульсный допплеровский радар устраняет это следующим образом: позволяет направлять антенну радара прямо на землю, не перегружая компьютер и не снижая чувствительность. Заполняет уязвимую зону, связанную с радиолокаторами с амплитудно-временной обработкой сигнала, для обнаружения малоразмерных объектов вблизи земной поверхности и в условиях плохой погоды. Увеличивает дальность обнаружения на 300% или более по сравнению с индикацией движущейся цели (MTI) за счет повышения видимости целей на фоне помех. Для обеспечения возможности обнаружения и сопровождения целей в режиме "смотри вниз – стреляй вниз" требуется способность подавлять помехи на уровне около 60 дБ, и импульсный доплер является единственной стратегией, способной удовлетворить этому требованию. Это устраняет уязвимости, связанные с низкой высотой и областью ниже горизонта. Импульсная компрессия и индикатор движущейся цели (MTI) обеспечивают видимость целей на фоне помех до 25 дБ. Луч антенны MTI направлен над горизонтом, чтобы избежать чрезмерной частоты ложных тревог, что делает системы уязвимыми. Самолеты и некоторые ракеты используют эту слабость, применяя тактику полета на малых высотах вблизи земной поверхности, чтобы избежать обнаружения. Эта тактика неэффективна против импульсного допплеровского радара. Импульсный доплер обеспечивает преимущество при обнаружении ракет и малозаметных самолетов, летящих вблизи земной поверхности, морской поверхности и в условиях плохой погоды. Звуковой эффект Доплера и размер цели помогают классифицировать тип транспортного средства, когда идентификация "свой-чужой" недоступна по каналу транспондера. Средняя частота повторения импульсов (PRF) отраженных микроволновых сигналов находится в диапазоне от 1500 до 15000 циклов в секунду, что находится в пределах слышимого диапазона. Это означает, что вертолет звучит как вертолет, реактивный самолет – как реактивный самолет, а винтовой самолет – как винтовой самолет. Самолеты без движущихся частей издают тональный звук. Фактический размер цели можно рассчитать на основе звукового сигнала.

Недостатки

Обработка неоднозначности необходима, когда дальность цели превышает красную линию на графике, что увеличивает время сканирования. Время сканирования является критически важным параметром для некоторых систем, поскольку объекты, движущиеся на скорости звука или выше, могут преодолевать значительное расстояние за несколько секунд, например, ракеты Exocet, Harpoon, Kitchen и ракеты класса "воздух-воздух". Максимальное время сканирования всего объема воздушного пространства для систем, работающих в таких условиях, должно составлять порядка дюжины секунд или меньше. Импульсно-доплеровский радар сам по себе может быть недостаточно быстрым для охвата всего пространства над горизонтом, если не используется веерное сканирование. Этот подход применяется в радаре дальнего обнаружения воздушных целей AN/SPS 49(V)5, который жертвует измерением угла места радиусом обзора для повышения скорости сканирования. Скорость движения антенны импульсно-доплеровского радара должна быть достаточно низкой, чтобы можно было обработать все отраженные сигналы, полученные от как минимум трех различных частот повторения импульсов (PRF), в пределах максимальной ожидаемой дальности обнаружения. Это называется временем выдержки. Скорость движения антенны импульсно-доплеровского радара должна быть не выше, чем у радаров, использующих MTI. Поисковые радары, включающие импульсно-доплеровское сканирование, обычно работают в двух режимах, поскольку оптимальная общая производительность достигается при использовании импульсно-доплеровского режима в зонах с высоким уровнем ложных тревог (горизонт и ниже него, а также при наличии помех от погоды), в то время как обычный радар сканирует быстрее в свободном пространстве, где уровень ложных тревог низок (выше горизонта при ясной погоде). Тип антенны является важным фактором для многорежимных радаров, поскольку нежелаемый сдвиг фазы, вносимый антенной, может ухудшить точность измерений и снизить видимость целей на фоне помех.

Обработка сигналов

Улучшение обработки сигналов импульсного доплера позволяет обнаруживать небольшие быстродвижущиеся объекты в непосредственной близости от крупных медленно движущихся отражателей. Для этого передатчик должен быть когерентным и обеспечивать низкий фазовый шум в течение интервала детектирования, а приемник – обладать большим мгновенным динамическим диапазоном. Обработка импульсного доплеровского сигнала также включает разрешение неоднозначности для определения истинной дальности и скорости. Сигналы, принятые при различных частотах повторения импульсов (PRF), сравниваются для определения истинной дальности с использованием процесса разрешения неоднозначности по дальности. Принятые сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности по частоте.

Особое внимание

У импульсно-доплеровского радара есть особые требования, которые необходимо выполнить для обеспечения приемлемой производительности.

Частота повторения импульса

Пульсодопплеровское зондирование обычно использует среднюю частоту повторения импульсов (PRF) в диапазоне примерно от 3 кГц до 30 кГц. Расстояние между передающими импульсами составляет от 5 км до 50 км. При использовании средней PRF дальность и скорость нельзя измерить напрямую, поэтому для определения истинной дальности и скорости требуется разрешение неоднозначности. Доплеровские сигналы обычно имеют частоту выше 1 кГц, что делает их слышимыми, поэтому звуковые сигналы от систем со средней PRF могут использоваться для пассивной идентификации целей.

Угловое измерение

Радарные системы требуют измерения углов. Транспондеры обычно не используются с импульсно-доплеровскими радарами, поэтому для практической работы необходимо подавление боковых лепестков. Системы радиолокационного слежения используют ошибку определения угла для повышения точности, формируя измерения перпендикулярно к лучу антенны радара. Угловые измерения усредняются за определенный промежуток времени и комбинируются с радиальным перемещением для получения информации, пригодной для прогнозирования положения цели на короткий промежуток времени в будущем. Два метода определения ошибки угла, применяемые в радиолокационном слежении, – моноимпульсный и конический сканирующий.

Соответствие

Импульсный допплеровский радар требует когерентного генератора с крайне низким уровнем шума. Фазовый шум ухудшает производительность при обнаружении целей на фоне помех, создавая иллюзию движения для неподвижных объектов. Магнитрон с полостью и усилители с перекрестным полем не подходят, так как шум, генерируемый этими устройствами, препятствует обнаружению. Для импульсного доплера подходят только клистроны, лампы бегущей волны и твердотельные усилители.

Смельчатая

Обработка импульсного допплеровского сигнала приводит к возникновению явления, называемого "скаллированием" (scalloping). Это название связано с серией провалов в характеристиках обнаружения, напоминающих выемки. Скаллирование в импульсно-допплеровских радарах обусловлено слепыми скоростями, возникающими из-за фильтра подавления помех. Для сканирования каждого пространственного объема необходимо использовать 3 или более различных частот повторения импульсов (PRF). Схема обнаружения с использованием двух PRF будет иметь области потери обнаружения, образующие рисунок из дискретных дальностей, для каждой из которых существует слепая скорость.

Оконная отделка

Звучащие артефакты создают проблемы при поиске, обнаружении и разрешении неоднозначности в импульсно-доплеровской радиолокации. Уменьшение эффекта "звона" достигается двумя способами. Во-первых, форма передающего импульса корректируется для сглаживания переднего и заднего фронтов, чтобы изменение мощности радиочастоты происходило без резких скачков. Это формирует передающий импульс с плавными краями вместо прямоугольной формы, что снижает эффект "звона", обычно возникающий при отражении от цели. Во-вторых, форма принимаемого импульса корректируется с использованием оконной функции, которая минимизирует "звон", возникающий при подаче импульсов на фильтр. В цифровой системе это достигается путем корректировки фазы и/или амплитуды каждого отсчета перед его применением к быстрому преобразованию Фурье. Оконная функция Дольфа-Чебышева является наиболее эффективной, поскольку она обеспечивает плоский уровень шумов без "звона", который в противном случае мог бы привести к ложным тревогам.

Дифракция

Неровные поверхности, такие как волны и деревья, формируют дифракционную решетку, подходящую для отклонения микроволновых сигналов. Импульсно-доплеровский радар может быть настолько чувствительным, что дифракция от гор, зданий или гребней волн может использоваться для обнаружения быстродвижущихся объектов, которые в противном случае были бы скрыты сплошными препятствиями на линии видимости. Это крайне энергозатратный эффект, который становится возможным только при наличии у радара значительного избыточного разрешения под зашумляющими отражениями. Преломление и волноводное распространение используют передающую частоту в диапазоне L или ниже для увеличения дальности видимости, что существенно отличается от дифракции. Преломление для радиолокации за горизонт использует переменную плотность воздушного слоя над поверхностью Земли для отклонения радиочастотных сигналов. Инверсионный слой может создать временный тропосферный волновод, который удерживает радиочастотные сигналы в тонком слое воздуха, подобно волноводу.

Вертолеты

Особое внимание требуется к воздушным судам с большими движущимися частями, поскольку импульсно-доплеровский радар работает по принципу фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Концы лопастей, движущиеся почти со скоростью звука, создают единственный обнаруживаемый сигнал при медленном движении вертолета вблизи земной поверхности и в сложных погодных условиях. Вертолет представляется как источник быстро меняющихся импульсов, за исключением случаев, когда он находится в чистой обстановке, свободной от помех. Для пассивной идентификации типа воздушного объекта генерируется звуковой сигнал. Микроволновой доплеровский сдвиг частоты, вызванный движением отражателя, попадает в диапазон слышимости для человека (20 – 20 000 Гц), который используется для классификации цели в дополнение к традиционным радарным индикаторам, таким как индикаторы типа A, B, C и RHI. Человеческое ухо может лучше различать сигналы, чем электронное оборудование. Необходим специальный режим, поскольку информация о доплеровской скорости должна быть отделена от радиальной составляющей движения, чтобы система могла перейти от режима сканирования к сопровождению без захвата цели. Аналогичные методы требуются для формирования информации о траектории для сигналов помех и интерференции, которые не соответствуют критериям захвата.

Многорежимный

Импульсный доплеровский радар должен быть многорежимным для обработки траекторий разворота и пересечения самолетов. После перехода в режим сопровождения, импульсный доплеровский радар должен предусматривать возможность изменения допплеровской фильтрации для объема пространства вокруг сопровождения, когда радиальная скорость падает ниже минимальной скорости обнаружения. Регулировка допплеровского фильтра должна быть связана с функцией сопровождения цели радаром для автоматической корректировки скорости подавления допплеровского сдвига в объеме пространства вокруг сопровождения. Сопровождение прекратится без этой функции, поскольку целевой сигнал в противном случае будет отфильтрован допплеровским фильтром при приближении радиальной скорости к нулю из-за отсутствия изменения частоты. Многорежимная работа может также включать непрерывное излучение для полуактивного радиолокационного самонаведения.