Коническое сканирование в радиолокации: принцип работы и применение.

Введение

Система, используемая в радарах для повышения точности

Коническое сканирование — это система, применяемая в ранних радиолокационных установках для повышения их точности и облегчения правильного наведения антенны на цель. Коническое сканирование по своей концепции схоже с более ранней концепцией переключения лепестков, использовавшейся в некоторых из первых радаров, и многие установки с переключением лепестков были модифицированы в полевых условиях для использования конического сканирования во время Второй мировой войны, в частности немецкий радиолокатор «Вюрцбург». Наведение антенны может быть полностью автоматизированным, как, например, в американском SCR 584. Вероятность возникновения отказов и уязвимость к помехам, вводящим в заблуждение, привели к замене систем конического сканирования на радиолокационные комплексы с моноимпульсным методом. Они до сих пор используются сетью Deep Space Network для поддержания связи с космическими аппаратами. Стабилизированные вращением зонды «Пионер-10» и «Пионер-11» использовали бортовые маневры конического сканирования для отслеживания Земли на её орбите.

Концепция

Типичная антенна радара обычно имеет ширину луча в несколько градусов. Хотя этого достаточно для обнаружения цели в системе раннего предупреждения, этого недостаточно для наведения оружия, которое требует точности порядка 0,1 градуса. Улучшить ширину луча можно за счет использования более крупных антенн, но это часто непрактично. Для отслеживания направления заданной цели достаточно удерживать антенну, направленную прямо на цель. Знание направления, в котором указывает антенна, позволяет определить направление на цель. Чтобы радарная система автоматически сопровождала движущуюся цель, необходима система управления, которая удерживает луч антенны, направленный на цель по мере ее движения. Радарный приемник получит максимальную мощность отраженного сигнала, когда цель окажется в центре луча. Если луч направлен точно на цель, то при ее движении она выйдет из центра луча, и мощность принимаемого сигнала уменьшится. Схема, предназначенная для контроля любого уменьшения мощности принимаемого сигнала, может использоваться для управления сервоприводом, который поворачивает антенну, чтобы следовать за движением цели. Существует три сложности с этим методом:

Радар не будет иметь информации о направлении движения цели и, следовательно, не будет знать, в каком направлении перемещать антенну для сопровождения. По мере удаления цели от центра луча, мощность принимаемого сигнала сначала изменяется очень медленно. Таким образом, система довольно нечувствительна к ошибкам наведения антенны. Колебания мощности отраженного сигнала от цели, вызванные сцинтилляцией, интерпретируются как движение цели.

Коническое сканирование

Для решения этой проблемы используется коническое сканирование, при котором радиолокационный луч немного смещается от центра антенны, или линии визирования, а затем вращается. Если взять в качестве примера антенну, генерирующую луч шириной 2 градуса – что является довольно типичным значением – конический радар может сместить луч на 1,5 градуса в одну сторону от центральной линии, незначительно сдвинув волновод. В любой момент времени полученная диаграмма охватывает центральную линию антенны на участке около 0,5 градуса и на 1,5 градуса в сторону. Вращая волновод с помощью двигателя, диаграмма становится конусом, центрированным на центральной линии и простирающимся на 3 градуса в поперечнике. Основная идея заключается в том, что объект, расположенный на центральной линии, будет генерировать постоянный сигнал независимо от текущего положения луча, в то время как объект, находящийся сбоку, будет генерировать сильный сигнал, когда луч направлен в его сторону, и слабый – когда луч направлен в противоположную. Кроме того, участок, охватывающий центральную линию, находится вблизи края радиолокационного луча, где чувствительность быстро снижается. Объект, находящийся в центре луча, попадает в область, где даже небольшие перемещения вызывают заметное изменение сигнала, значительно усиливаясь в направлении, в котором радару необходимо двигаться. Система управления антенной устроена таким образом, чтобы перемещать антенну по азимуту и углу места, обеспечивая постоянный сигнал от отслеживаемого объекта. В то время как использование только основной лепестки может позволить оператору "искать" самый сильный сигнал и, следовательно, нацеливать антенну с точностью до одного градуса в области "максимального сигнала" в центре лепестка, коническое сканирование позволяет обнаруживать гораздо меньшие перемещения, достигая точности менее 0,1 градуса.

Строительство

Есть два способа вызвать отклонение луча от центральной линии антенны. Первый называется поворотом волновода. Как следует из названия, рупор питателя устанавливается со смещением от параболического фокуса, что приводит к тому, что энергия фокусируется немного в стороне от центральной линии антенны. Затем волновод поворачивается вокруг фокуса параболоида, создавая коническое сканирование. Другая система – это колебательный волновод. Колебательный волновод смещает антенну под углом к неподвижному рупору питателя, а затем вращает антенну. Вариант колебательного волновода заставляет волновод двигаться по небольшой окружности, быстро и непрерывно изменяя направление луча. В этом последнем типе ни волновод, ни антенна не вращаются вокруг оси наведения антенны; изменяется только направление луча, описывая узкий конус. Основное различие между этими двумя схемами заключается в поляризации. Поскольку рупор питателя вращается в схеме с поворотом волновода, поляризация изменяется вместе с вращением и, следовательно, будет сдвинута на 90 градусов, когда волновод отклонен на 90 градусов от своей начальной оси. В колебательных волноводах рупор питателя неподвижен, поэтому изменения поляризации не происходят. Большинство ранних систем использовали поворот волновода из-за его механической простоты, но более поздние системы часто использовали колебательные волноводы для использования информации о поляризации. В корабельном радаре управления огнем Mk. 25 ВМС США спиральный режим сканирования помогал в обнаружении целей. По сути, это коническое сканирование (не вращающегося типа колебательного волновода), при котором размер конуса сканирования циклически увеличивался и уменьшался примерно два раза в секунду. Область сканирования составляла несколько градусов в сумме. (После обнаружения цели оператор переключался на коническое сканирование для сопровождения.) Поскольку лепесток сканируется вокруг центральной линии антенны, коническое сканирование действительно подходит только для антенн с круговым поперечным сечением. Это было характерно для радара "Вюрцбург", работавшего в микроволновом диапазоне. Большинство других вооруженных сил использовали радары с гораздо большей длиной волны, для которых потребовались бы параболоидные антенны огромных размеров, и вместо этого использовали конструкцию типа "пружина кровати" из множества небольших дипольных антенн, расположенных перед пассивным отражателем. Для организации конического сканирования в такой системе потребовалось бы перемещать все диполи, что является непрактичным решением. По этой причине армия США просто отказалась от своего раннего радара для наведения орудий SCR-268. Это не вызвало особого беспокойства, учитывая, что они внедряли собственный микроволновый радар после миссии Тардиса. В SCR-584, разработанном Лабораторией радиационных исследований Массачусетского технологического института, было внедрено автоматическое сопровождение. Автоматическое наведение антенны, а следовательно, и любых связанных с ней орудий или оружия, может быть добавлено к радару с коническим сканированием без особых трудностей. Система управления должна направлять антенну таким образом, чтобы с цели принимался сигнал постоянной амплитуды. К сожалению, существует ряд факторов, которые могут значительно изменить отраженный сигнал. Например, изменение направления самолета-цели может представлять антенне различные части фюзеляжа и значительно изменить количество возвращаемого сигнала. В этих случаях радар с коническим сканированием может интерпретировать это изменение силы как изменение положения. Например, если самолет внезапно "станет ярче", когда он отклонится влево от оси, схема может интерпретировать это как отклонение вправо, если изменение произойдет, когда лепесток будет выровнен в этом направлении. Эту проблему можно решить, используя два одновременно перекрывающихся луча приемника, что приводит к моноимпульсному радару, названному так потому, что он всегда сравнивает силу сигнала от одного импульса с самим собой, тем самым устраняя проблемы со всеми, кроме невероятно быстрых изменений силы сигнала.

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.

Конический сканер только для приема (COSRO)

Системы COSRO не изменяют передаваемый сигнал, излучаемый антенной. Волновод антенны в системах COSRO включает в себя структуру приёмного радиочастотного рупора, формирующую левый/правый RF-образец приёма и образец приёма вверх/вниз. Эти два сигнала мультиплексируются внутри волноводного устройства с вращающимся дефлектором. Выходом мультиплексора является один радиочастотный сигнал и два сигнала положения, указывающие на левое/правое и верхнее/нижнее положение. Технология COSRO не передаёт никаких сигналов, указывающих положение вращающегося дефлектора.

Антенная проба

Сигналы RF-приемника от нескольких передающих импульсов математически комбинируются для формирования вертикального и горизонтального сигналов. Вертикальный сигнал формируется путем сложения RF-отсчетов, когда пластина/волновод находится в верхнем положении, и вычитания RF-отсчетов, когда пластина/волновод находится в нижнем положении. Горизонтальный сигнал формируется путем сложения RF-отсчетов, когда пластина/волновод находится в левом положении, и вычитания RF-отсчетов, когда пластина/волновод находится в правом положении. Это создает пару сигналов ошибки углового положения, используемых для управления двигателями позиционирования антенны.

Заторможенность

Конические сканирующие радары уязвимы для помех. Если цель знает общие рабочие параметры радара, можно передать ложный сигнал, синхронизированный по времени с ростом и спадом лепестка радара, но с инвертированной амплитудой. То есть, ложный сигнал будет максимальным, когда радарный сигнал минимален (лепесток находится на "дальней стороне" антенны относительно самолета), и минимальным, когда радарный сигнал максимален (направлен на самолет). При сложении с "реальным" сигналом на приемнике радара, результирующий сигнал будет "постоянно сильным", что не позволит системе управления точно определить положение цели в диаграмме направленности лепестка. Реализовать это аппаратно не так сложно, как может показаться. Зная, что сигнал вращается со скоростью 25 оборотов в минуту, как в радаре Вюрцбург, помеха строится так, чтобы затухать от максимума до нуля с той же скоростью – 25 раз в минуту. Затем необходимо синхронизировать сигналы, что достигается путем поиска минимума сигнала (который обычно легче обнаружить) и запуска шаблона в этой точке. Эта система, известная как помеха с обратным усилением, использовалась Королевскими ВВС во время Второй мировой войны против радара Вюрцбург. Можно сконструировать радар так, чтобы перемещение лепестка осуществлялось только на приемной стороне. Для этого добавляется вторая антенна с вращающимся лепестком, предназначенная только для приема, система, известная как COSRO (Conical Scan on Receive Only – коническое сканирование только на прием, в отличие от LORO, аналогичной системы, используемой против радаров с переключением лепестков). Хотя это лишало помехи в самолете информации о частоте сканирования лепестком, все равно можно было передавать случайные импульсы, тем самым дезориентируя систему слежения (или оператора). Эта техника, называемая SSW (Swept Square Wave – сканирующая прямоугольная волна), не обеспечивает такой же эффективности защиты, как помеха с обратным усилением, но лучше, чем ничего, и часто оказывается достаточно действенной.