Одноимпульсная радиолокационная система

Введение

Радарная система с одним импульсом

Моноимпульсный радар – это радарная система, использующая дополнительную кодировку радиосигнала для получения точной информации о направлении. Название отражает способность извлекать дальность и угловые координаты из единого импульса сигнала. Моноимпульсный радар позволяет избежать проблем, возникающих в конически сканирующих радарных системах, которые могут быть дезориентированы резкими изменениями мощности сигнала. Эта система также усложняет создание помех. Большинство радаров, разработанных после 1960-х годов, являются моноимпульсными. Моноимпульсный метод также применяется в пассивных системах, таких как средства радиоэлектронной борьбы и радиоастрономия. Моноимпульсные радарные системы могут быть реализованы с использованием рефлекторных антенн, линзовых антенн или антенных решеток. Исторически моноимпульсные системы классифицировались как моноимпульсные по фазе или моноимпульсные по амплитуде. Современные системы определяют направление по моноимпульсному отношению, которое содержит информацию об амплитуде и фазе. Моноимпульсный метод не требует, чтобы измеряемые сигналы были импульсными. В связи с этим было предложено альтернативное название "одновременное разделение лучей", однако оно не получило широкого распространения.

Коническое сканирование

Коническое сканирование не считается формой моноимпульсного радара, но приведенное ниже описание дает базовые сведения для понимания. Системы конического сканирования излучают сигнал немного в сторону от оси антенны, а затем вращают волноводный рог, чтобы лепесток диаграммы направленности вращался вокруг этой оси. Цель, находящаяся точно на оси, всегда частично освещается лепестком и обеспечивает сильный отраженный сигнал. Если цель находится сбоку, она будет освещаться только тогда, когда лепесток направлен в ее сторону, что приведет к более слабому сигналу (или мерцающему, если вращение достаточно медленное). Этот изменяющийся сигнал достигнет максимума, когда антенна повернется в направлении цели. Поиск этого максимума и наведение антенны в этом направлении позволяет автоматически отслеживать цель. Это значительно упрощается использованием двух антенн, слегка наклоненных в стороны от оси. Отслеживание можно осуществить, сравнивая сигналы от двух антенн с помощью простой электроники, вместо того чтобы искать точку максимума в течение периода вращения антенны. Одна из проблем этого подхода заключается в том, что амплитуда радиолокационных сигналов часто меняется по причинам, не связанным с положением луча. Например, за несколько десятых долей секунды изменения курса цели, дождевые облака и другие факторы могут существенно повлиять на отраженный сигнал. Поскольку системы конического сканирования полагаются на изменение силы сигнала исключительно из-за положения цели относительно луча, такие изменения в отраженном сигнале могут привести к "путанице" в определении положения цели в области сканирования луча. Подавление конического сканера также относительно просто. Подавитель просто должен излучать сигналы на частоте радара с достаточной мощностью, чтобы радиолокатор принял их за самый сильный отраженный сигнал. В этом случае серия случайных коротких импульсов сигнала будет выглядеть как серия целей, расположенных в разных точках в пределах луча. Эффективность такого подавления можно повысить, синхронизировав сигналы с частотой вращения волновода, но с небольшой задержкой, что создаст второй сильный пик в луче, который будет трудно отличить от истинного сигнала. Подобные подавители применялись уже на ранних этапах развития радиолокации. Британцы использовали их во время Второй мировой войны против немецкого радара Вюрцбург с коническим сканированием.

Conical scanning is not considered to be a form of monopulse radar, but the following summary provides background that can aid understanding. Conical scan systems send out a signal slightly to one side of the antenna's boresight and then rotate the feed horn to make the lobe rotate around the boresight line. A target centered on the boresight is always slightly illuminated by the lobe, and provides a strong return. If the target is to one side, it will be illuminated only when the lobe is pointed in that general direction, resulting in a weaker signal overall (or a flashing one if the rotation is slow enough). This varying signal will reach a maximum when the antenna is rotated so it is aligned in the direction of the target. By looking for this maximum and moving the antenna in that direction, a target can be automatically tracked. This is greatly eased by using two antennas, angled slightly to either side of the boresight. Tracking can be accomplished by comparing the signal from the two antennas in simple electronics, as opposed to having to hunt for a maximum point over the period of the antenna's rotation. One problem with this approach is that radar signals often change in amplitude for reasons that have nothing to do with beam position. Over the period of a few tenths of seconds, for instance, changes in target heading, rain clouds and other issues can dramatically affect the returned signal. Since conical scanning systems depend on the signal growing or weakening due only to the position of the target relative to the beam, such changes in reflected signal can cause it to be "confused" about the position of the target within the beam's scanning area. Jamming a conical scanner is also relatively easy. The jammer simply has to send out signals on the radar's frequency with enough strength to make it think that was the strongest return. In this case, a series of random short bursts of the signal will appear to be a series of targets in different locations within the beam. Jamming of this sort can be made more effective by timing the signals to be the same as the rotational speed of the feed, but broadcast at a slight delay, which results in a second strong peak within the beam, with nothing to distinguish the two. Jammers of this sort were deployed quite early. The British used them during World War II against the German conical scanning Würzburg radar.

Основы монопульса

Моноимпульсные радары по общей конструкции схожи с коническими сканирующими системами, но разделяют луч на части и затем излучают два полученных сигнала из антенны в немного разных направлениях. Когда принимаются отраженные сигналы, они усиливаются раздельно и сравниваются между собой, указывая, в каком направлении более сильный отклик, и, следовательно, общее направление цели относительно оси антенны. Поскольку это сравнение выполняется в течение одного импульса, который обычно длится несколько микросекунд, изменения в положении или курсе цели не повлияют на результат сравнения. Для проведения такого сравнения необходимо различать различные части луча. Обычно этого достигают, разделяя импульс на две части и поляризуя каждую отдельно перед отправкой на набор виброизлучателей, слегка смещенных от оси. Это создает набор лепестков, обычно два, перекрывающихся на оси антенны. Затем эти лепестки вращаются, как в обычной конической сканирующей системе. При приеме сигналы снова разделяются, затем один сигнал инвертируется по мощности, и оба сигнала суммируются (как показано на рисунке). Если цель находится с одной стороны от оси антенны, результирующая сумма будет положительной, а с другой – отрицательной. Если лепестки расположены близко друг к другу, этот сигнал может обеспечить высокую точность наведения в пределах луча, дополняя естественную точность конической сканирующей системы. В то время как классические конические сканирующие системы обеспечивают точность наведения порядка 0,1 градуса, моноимпульсные радары обычно улучшают этот показатель в 10 раз, а передовые радиолокационные системы слежения, такие как AN/FPS 16, достигают точности 0,006 градуса. Это соответствует точности около 10 м на расстоянии 100 км. Устойчивость к помехам значительно выше, чем у конического сканирования. Можно использовать фильтры для подавления любого сигнала, который либо неполяризован, либо поляризован только в одном направлении. Чтобы ввести такую систему в заблуждение, сигнал помех должен был бы дублировать поляризацию и синхронизацию сигнала, но поскольку самолет принимает только один лепесток, определение точной поляризации сигнала затруднено. В отношении моноимпульсных систем, средства РЭБ обычно прибегают к излучению белого шума, чтобы просто ослепить радар, вместо попыток создать ложные локализованные отражения.

Monopulse radars are similar in general construction to conical scanning systems, but split the beam into parts and then send the two resulting signals out of the antenna in slightly different directions. When the reflected signals are received they are amplified separately and compared to each other, indicating which direction has a stronger return, and thus the general direction of the target relative to the boresight. Since this comparison is carried out during one pulse, which is typically a few microseconds, changes in target position or heading will have no effect on the comparison. Making such a comparison requires that different parts of the beam be distinguished from each other. Normally this is achieved by splitting the pulse into two parts and polarizing each one separately before sending it to a set of slightly off axis feed horns. This results in a set of lobes, usually two, overlapping on the boresight. These lobes are then rotated as in a normal conical scanner. On reception the signals are separated again, and then one signal is inverted in power and the two are then summed ( in the image). If the target is to one side of the boresight the resulting sum will be positive, if it's on the other, negative. If the lobes are closely spaced, this signal can produce a high degree of pointing accuracy within the beam, adding to the natural accuracy of the conical scanning system. Whereas classical conical scan systems generate pointing accuracy on the order of 0.1 degree, monopulse radars generally improve this by a factor of 10, and advanced tracking radars like the AN/FPS 16 are accurate to 0.006 degrees. This is an accuracy of about 10 m at a distance of 100 km. Jamming resistance is greatly improved over conical scanning. Filters can be inserted to remove any signal that is either unpolarized, or polarized only in one direction. In order to confuse such a system, the jamming signal would have to duplicate the polarization of the signal as well as the timing, but since the aircraft receives only one lobe, determining the precise polarization of the signal is difficult. Against monopulse systems, ECM has generally resorted to broadcasting white noise to simply blind the radar, instead of attempting to produce false localized returns.

Реализация для массивных антенн

Антенна четырехквадрантного массива состоит из четырех подмассивов. Подмассивы разделены расстоянием d. Угол θ (в плоскости углов места или азимута) оценивается на основе моноимпульсного отношения, которое представляет собой отношение дифференциального сигнала к суммарному сигналу. Уравнение оценки приводится ниже. Вывод более общей формы этого уравнения представлен в [указателе на источник]. Стоимость и сложность реализации моноимпульсного сопровождения были снижены, а надежность повышена с появлением цифровой обработки сигналов после 1970-х годов. Эта технология используется в большинстве современных радиолокационных станций слежения и во многих типах одноразовых боеприпасов, таких как ракеты.