Коническое сканирование — это система, используемая в ранних радарных установках для повышения их точности, а также для облегчения правильного направления антенны на цель. Коническое сканирование по своей концепции похоже на более раннюю концепцию переключения лепестков , используемую в некоторых из самых ранних радаров, и многие примеры наборов переключения лепестков были модифицированы в полевых условиях для конического сканирования во время Второй мировой войны , в частности, немецкий радар Вюрцбурга . Наведение антенны может быть полностью автоматическим, как в американском SCR-584 . Потенциальные режимы отказов и восприимчивость к обманным помехам привели к замене систем конического сканирования на моноимпульсные радарные установки. Они до сих пор используются Deep Space Network для поддержания каналов связи с космическими зондами . [1] Стабилизированные вращением зонды Pioneer 10 и Pioneer 11 использовали бортовые маневры конического сканирования для отслеживания Земли на ее орбите. [2]
Типичная антенна радара обычно имеет ширину луча в несколько градусов. Хотя этого достаточно для определения местоположения цели в качестве раннего предупреждения , этого недостаточно для наведения орудия , которое требует точности порядка 0,1 градуса. Можно улучшить ширину луча за счет использования более крупных антенн, но это часто непрактично.
Для того чтобы отслеживать направление на обозначенную цель, необходимо только удерживать антенну направленной прямо на цель. Знание направления наведения антенны затем дает знание направления цели. Для того чтобы радиолокационная система автоматически следовала за движущейся целью, необходимо иметь систему управления, которая удерживает луч антенны направленным на цель по мере ее движения. Приемник радара получит максимальную мощность отраженного сигнала, когда цель находится в центре луча. Если луч направлен прямо на цель, при движении цели он выйдет из центра луча, и мощность принимаемого сигнала упадет. Схемы, предназначенные для отслеживания любого уменьшения мощности принимаемого сигнала, могут использоваться для управления серводвигателем, который направляет антенну для отслеживания движения цели. С этим методом связаны три трудности:
Коническое сканирование решает эту проблему, слегка смещая луч радара от центра средней линии антенны, или оси визирования , а затем вращая его. Приведем пример антенны, которая генерирует луч шириной 2 градуса — довольно типично — конический сканирующий радар может сместить луч на 1,5 градуса в одну сторону от центральной линии, слегка сместив облучатель. Результирующий рисунок в любой момент времени охватывает среднюю линию антенны примерно на 0,5 градуса и на 1,5 градуса в сторону. При вращении рупорного облучателя с помощью двигателя рисунок становится конусом с центром на средней линии, простирающимся на 3 градуса в поперечном направлении.
Ключевая концепция заключается в том, что цель, расположенная в средней точке, будет генерировать постоянный возврат, независимо от того, куда в данный момент направлен лепесток, тогда как если она находится в одной стороне, она будет генерировать сильный возврат, когда лепесток направлен в этом общем направлении, и слабый, когда направлен в другую сторону. Кроме того, часть, покрывающая центральную линию, находится вблизи края лепестка радара, где чувствительность быстро падает. Самолет, центрированный в луче, находится в области, где даже небольшие движения приведут к заметному изменению возврата, который будет становиться намного сильнее вдоль направления, в котором должен двигаться радар. Система управления антенной устроена так, чтобы перемещать антенну по азимуту и углу места таким образом, чтобы от отслеживаемого самолета получался постоянный возврат.
В то время как использование только главного лепестка может позволить оператору «охотиться» за самым сильным отраженным сигналом и, таким образом, направлять антенну в пределах градуса или около того в область «максимального отраженного сигнала» в центре лепестка, при коническом сканировании можно обнаружить гораздо меньшие движения, и возможна точность менее 0,1 градуса.
Существует два способа вызвать перенаправление луча от средней линии антенны. Первый называется вращающимся облучателем . Как следует из его названия, облучатель устанавливается недалеко от параболической фокальной точки, что заставляет энергию фокусироваться немного в стороне от средней линии антенны. Затем облучатель вращается вокруг фокальной точки параболоида, чтобы создать коническое вращение. Другая система — это нутированный облучатель. Нутированный облучатель смещает антенну под углом к фиксированному рупорному облучателю, а затем вращает антенну. Разновидность нутированного облучателя заставляет облучатель двигаться по небольшому кругу, быстро и непрерывно изменяя направление наведения луча. В этом последнем типе ни облучатель, ни антенна не вращаются вокруг оси наведения антенны; меняется только направление наведения, вычерчивая узкий конус.
Основное различие между двумя базовыми схемами заключается в поляризации. Поскольку облучатель в процессе вращения вращается, поляризация изменяется с вращением и, таким образом, будет на 90 градусов от поляризации, когда облучатель находится на 90 градусов от своей первоначальной оси. Поскольку облучатель зафиксирован в нутированных облучателях, никаких изменений поляризации не происходит. Большинство ранних систем использовали вращающийся облучатель из-за его механической простоты, но более поздние системы часто использовали нутированные облучатели для использования информации о поляризации.
В радаре управления огнем орудия ВМС США Mk. 25 режим спирального сканирования помогал в обнаружении цели. В основном это было коническое сканирование (типа невращающегося нутационного облучателя), размер конуса сканирования циклически увеличивался и уменьшался примерно дважды в секунду. Сканируемая область составляла в общей сложности несколько градусов. (После обнаружения цели оператор переключался на коническое сканирование для отслеживания.)
Поскольку лепесток вращается вокруг средней линии антенны, коническое сканирование действительно подходит только для антенн с круглым поперечным сечением. Так было в случае с Вюрцбургом, который действовал в микроволновом диапазоне. Большинство других сил использовали гораздо более длинноволновые радары, для которых потребовались бы параболоидные антенны действительно огромных размеров, и вместо этого использовали «пружинную» компоновку множества небольших дипольных антенн, расположенных перед пассивным отражателем. Чтобы организовать коническое сканирование в такой системе, потребовалось бы переместить все диполи, что было непрактичным решением. По этой причине армия США просто отказалась от своего раннего радара наведения орудий, SCR-268 . Это не было особенно раздражающим, учитывая, что они находились в процессе внедрения своего собственного микроволнового радара после миссии Тизарда . В SCR-584 Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института ввела автоматическое слежение.
Автоматическое наведение антенны, а значит, и любых подчиненных пушек или оружия, можно добавить к коническому сканирующему радару без особых проблем. Система управления должна направлять антенну таким образом, чтобы от цели получался постоянный амплитудный сигнал.
К сожалению, существует ряд факторов, которые могут кардинально изменить отраженный сигнал. Например, изменения в направлении самолета-цели могут представлять различные части фюзеляжа для антенны и кардинально изменять количество возвращаемого сигнала. В этих случаях конический сканирующий радар может интерпретировать это изменение в силе как изменение положения. Например, если самолет внезапно «засветится», когда он будет вне оси влево, схема может интерпретировать это как смещение вправо, если изменение произойдет, когда лепесток будет выровнен в этом направлении. Эту проблему можно решить, используя два одновременно перекрывающихся приемных луча, ведущих к моноимпульсному радару , так названному потому, что он всегда сравнивает силу сигнала от одного импульса с собой, тем самым устраняя проблемы со всеми, кроме невозможно быстрых изменений силы сигнала.
Системы COSRO не изменяют передаваемый сигнал, посылаемый антенной.
Антенный волновод в системах COSRO включает в себя структуру рупорного облучателя, которая производит образец приема левого/правого RF и образец приема верхнего/нижнего RF. Эти два сигнала мультиплексируются внутри волноводного устройства, имеющего вращающуюся лопасть. Выход мультиплексного устройства представляет собой один сигнал RF и два сигнала положения, которые указывают левое/правое и верхнее/нижнее.
Технология COSRO не передает никаких сигналов, указывающих на положение вращающейся лопасти.
Сигналы приема RF от нескольких передаваемых импульсов математически объединяются для создания вертикального и горизонтального сигнала. Вертикальный сигнал создается путем сложения выборок RF, когда флюгер/рупорный облучатель находится в направлении вверх, и вычитания выборок RF, когда флюгер/рупорный облучатель находится в направлении вниз. Горизонтальный сигнал создается путем сложения выборок RF, когда флюгер/рупорный облучатель находится в левом направлении, и вычитания выборок RF, когда флюгер/рупорный облучатель находится в правом направлении.
Это создает пару сигналов угловой ошибки, используемых для управления двигателями привода позиционирования антенны.
Конические сканирующие радары могут быть легко заглушены . Если цель знает общие рабочие параметры радара, можно послать ложный сигнал, рассчитанный на рост и затухание по той же схеме, что и лепесток радара, но инвертированный по силе. То есть, ложный сигнал наиболее силен, когда сигнал радара наиболее слаб (лепесток находится на «дальней стороне» антенны по сравнению с самолетом), и наиболее слаб, когда сигнал наиболее силен (направлен на самолет). При сложении с «реальным» сигналом на приемнике радара результирующий сигнал «всегда силен», поэтому система управления не может точно оценить, где в лепестке диаграммы направленности находится цель.
На самом деле, сделать это на аппаратном уровне не так сложно, как может показаться. Если знать, что сигнал вращается со скоростью 25 об/мин, как это было в радаре Вюрцбурга, то глушитель построен так, чтобы затухать от максимума до нуля с той же скоростью, 25 раз в минуту. Затем все, что нужно, это синхронизировать сигналы, что достигается путем поиска низкой точки в сигнале (которую, как правило, легче найти) и запуска шаблона в этой точке. Эта система, известная как глушение с обратным усилением , использовалась Королевскими ВВС в оперативном порядке против радара Вюрцбурга во время Второй мировой войны.
Можно организовать радар так, чтобы лепестки не перемещались в передатчике, а только в приемнике. Для этого добавляется вторая антенна с вращающимся лепестком только для приема, система, известная как COSRO , для Conical Scan on Receive Only (коническое сканирование только при приеме) (сравните с LORO , похожей системой, используемой против радаров с переключением лепестков ). Хотя это и исключало информацию о частоте лепестков для глушилки в самолете, все еще было возможно просто посылать случайные всплески и тем самым сбивать с толку систему слежения (или оператора). Эта техника, называемая SSW (Swept Square Wave ), не защищает самолет с такой же эффективностью, как обратное усиление, но это лучше, чем ничего, и часто довольно эффективно.
