Ранние методы радиолокации: переключение диаграмм направленности.

Введение

Ранняя радиолокационная техника

Переключение лепестков – это метод, использовавшийся в ранних радиолокационных системах для повышения точности сопровождения целей. Он использует два слегка разнесенных антенных элемента для направления луча немного вправо и влево от центральной линии антенны. Радарный сигнал переключался между этими элементами, создавая два сигнала ("блипа") на экране. Сравнивая длительность этих сигналов, оператор мог определить, какой из них обеспечивает более сильный отклик, тем самым указывая, в каком направлении следует переместить антенну для точного наведения на цель. Эта технология применялась недолго и к концу Второй мировой войны практически полностью уступила место системам конического сканирования. Данный метод также иногда называют последовательным переключением лепестков, особенно когда сигнал переключается между несколькими различными углами, а не только двумя.

Описание

Ранние антенны радаров обычно состояли из нескольких небольших дипольных антенн перед пассивным отражателем. Диполи размещались таким образом, чтобы они конструктивно интерферировали перед антенной, тем самым "направляя" сигнал в этом направлении. Угловая ширина луча является функцией числа элементов, при этом большее количество элементов создает более узконаправленный луч. Идеальным было бы использование огромного количества таких элементов, но это было бы непрактично из-за необходимости их размещения на определенном расстоянии друг от друга, зависящем от длины волны используемого радиоисточника. В ранних системах "длинных волн", таких как использовавшиеся британцами и американцами, это вынуждало размещать элементы на расстоянии нескольких футов друг от друга, ограничивая количество диполей, возможно, до полудюжины для антенны разумного размера. Получаемые углы луча для такой системы, как правило, были слишком широкими для непосредственного использования при наведении орудий. Например, у американского SCR-268 ширина луча составляла 2 градуса, и как только цель попадала в этот луч, оператору было трудно определить ее точное положение в нем. Для прямого наведения орудий требовалась угловая точность около 0,1 градуса. На ранних этапах использования система применялась совместно с прожектором, который радиолокатор направлял на цель. Затем прожектор вручную отслеживал цель, а артиллеристы наводили орудия визуально. В этой роли даже днем информация о дальности, предоставляемая радаром, оставалась бесценной. Переключение лепестков обеспечивало значительно более высокую точность при небольшом увеличении сложности. Вместо одного набора дипольных элементов, в каждой точке антенной решетки размещались два. Затем радиосигнал попеременно переключался между двумя наборами диполей, обычно с помощью механического переключателя с приводом от двигателя. Сигнал отражения от одного набора проходил через небольшую задержку, незначительно смещая его "пик" на осциллоскопе оператора в сторону. Поскольку переключение происходило быстрее, чем мог уследить глаз, на дисплее отображались два четко сформированных пика. Поскольку каждый лепесток был немного смещен от центра, если цель не находилась точно по центру антенны (в целом), один из двух сигналов отражения был сильнее другого. Таким образом, оператор мог удерживать антенну, направленную на цель, просто перемещая ее, чтобы высота обоих сигналов на дисплее была одинаковой. Поскольку лепестки перекрывались лишь незначительно, угол, при котором два сигнала отражения были бы равны, был очень мал – даже небольшие отклонения цели от центральной линии быстро приводили к тому, что один сигнал становился значительно сильнее. В результате измерение получалось гораздо более точным. Коническое сканирование было похоже по концепции на переключение лепестков, но, как следует из названия, работало вращающимся образом, а не в двух направлениях. Это позволяло оператору получать двумерное представление о направлении, в котором сигнал отражения был наиболее сильным, и, как следствие, было намного проще в эксплуатации. Коническое сканирование можно было легко использовать только с антенной с одним волноводом, что практично только для микроволновых радаров. С появлением таких систем переключение лепестков постепенно перестало использоваться.

Early radar antennas generally consisted of a number of small dipole antennas in front of a passive reflector. The dipoles were placed in order to have them constructively interfere in front of the antenna, thereby "aiming" the signal in that direction. The beam's angular spread is a function of the number of elements, with more elements producing a more tightly focussed beam. A huge number of such elements would be ideal, but impractical due to them having to be placed at a specific distance to each other depending on the wavelength of the radio source being used. In early "longwave" systems, like those used by the British and US, this forced the elements to be placed several feet apart, limiting the number of dipoles to perhaps a dozen for any reasonably sized antenna. The resulting beam angles for such a system were generally too wide to be used directly for gun laying. For instance, the US's SCR 268 had a beam width of 2 degrees, and once the target entered that beam, the operator could not easily say where in the beam it was. An angle accuracy of about 0.1 degree would be needed for direct gunlaying. In early use the system was instead paired with a searchlight, which would be directed onto the target by the radar. The searchlight would then track the target manually and the gunners would aim visually. In this role, even during the day, the range information the radar provided was still invaluable. Lobe switching offered greatly improved accuracy for the addition of a small amount of complexity. Instead of a single set of dipole elements, two were placed at each point on the array. The radio signal was then alternately switched between the two sets of dipoles, normally through a motor driven mechanical switch. The return signal from one set was sent through a small delay, shifting its "peak" on the operator's oscilloscope slightly to one side. Since the switching was faster than the eye could follow, the result appeared as two well formed peaks on the display. Since each lobe was slightly off center, if the target was not centered down the middle of the antenna (as a whole), one of the two return signals would have greater strength than the other. Thus the operator could keep the antenna pointed at the target simply by moving it to make both returns equal height on the display. Since the lobes were arranged to overlap only slightly, there was only a very small angle where the two returns would be equal – even slight movements of the target out of the centerline would quickly make one signal much stronger. The resulting measurement was therefore much more accurate. Conical scanning was similar in concept to lobe switching, but as the name implies it was operated in a rotary fashion instead of two directions. This allowed the operator to get a 2 D view of which direction had the strongest return, and was much easier to operate as a result. Conical scanning could only easily be used on an antenna with a single feed horn, which is only practical with microwave radars. As such systems were introduced into service, lobe switching generally disappeared.

Заторможенность

Можно с относительной легкостью подавить радиолокатор с переключением диаграмм направленности, если известны его основные рабочие частоты. В случае радиолокатора, переключающего диаграммы 30 раз в секунду, можно создать систему подавления, излучающую слабый сигнал на той же частоте, который также изменяется 30 раз в секунду, но только тогда, когда диаграмма направленности радара отклонена от самолета – что легко определить, обнаружив минимум в принятом сигнале. На приемной стороне эти два сигнала смешиваются, и дополнительный сигнал от бортовой системы подавления "сглаживает" чередование сильного и слабого сигнала, который иначе был бы зарегистрирован. Это лишает радиолокатор информации об угле и затрудняет точное отслеживание цели, оставляя возможным лишь приблизительное определение углового положения.

Только лоб на прием

Один из способов избежать этой проблемы известен как "приём только с формированием диаграммы направленности" (LORO), который использует один набор антенных элементов для передачи сигнала без формирования диаграммы направленности, и два дополнительных набора для формирования диаграммы направленности при приёме. Принцип работы в основном идентичен обычному радару с формированием диаграммы направленности, но он скрывает от целевого самолета информацию о формировании диаграммы направленности, ценой добавления антенных элементов (или, чаще, второй антенны). Для подавления радаров LORO можно использовать несинхронизированные "пакеты" сигнала, хотя это менее эффективно, чем против обычной системы с формированием диаграммы направленности, и обычно усложняет работу оператора, а не делает её невозможной. SCR 268, первая радарная система армии США, была одним из первых радаров, использовавших переключение диаграммы направленности принимающих антенн для наведения лучей противовоздушных прожекторов на самолеты.