Моноимпульсный радар — это радиолокационная система, которая использует дополнительное кодирование радиосигнала для предоставления точной информации о направлении. Название относится к его способности определять дальность и направление из одного импульса сигнала.
Моноимпульсный радар позволяет избежать проблем, наблюдаемых в радиолокационных системах с коническим сканированием , которые могут сбить с толку быстрые изменения уровня сигнала . Система также затрудняет глушение . Большинство радаров, разработанных с 1960-х годов, представляют собой моноимпульсные системы. Моноимпульсный метод также используется в пассивных системах, таких как средства электронного обеспечения и радиоастрономия . Моноимпульсные радиолокационные системы могут быть построены с отражающими антеннами , линзовыми антеннами или антенными решетками .
Исторически моноимпульсные системы классифицировались как моноимпульсные или амплитудные . Современные системы определяют направление по коэффициенту моноимпульса, который содержит информацию как об амплитуде, так и о фазе. [1] [2] Моноимпульсный метод не требует, чтобы измеряемые сигналы были импульсными. Поэтому было предложено, но не популяризировано, альтернативное название «одновременное выпадение».
Коническое сканирование не считается разновидностью моноимпульсного радара, но следующее краткое изложение дает базовую информацию, которая может помочь в понимании.
Системы конического сканирования посылают сигнал слегка в одну сторону от оси прицеливания антенны , а затем вращают рупор, чтобы заставить лепесток вращаться вокруг линии прицеливания. Цель, центрированная на линии визирования, всегда слегка освещена лепестком и обеспечивает сильный возврат. Если цель находится в одной стороне, она будет освещена только тогда, когда лепесток направлен в этом общем направлении, что приведет к более слабому сигналу в целом (или мигающему, если вращение достаточно медленное). Этот изменяющийся сигнал достигнет максимума, когда антенна повернется так, чтобы она была ориентирована в направлении цели.
Ища этот максимум и перемещая антенну в этом направлении, можно автоматически отслеживать цель. Это значительно упрощается за счет использования двух антенн, расположенных под небольшим углом в обе стороны от точки прицеливания. Отслеживание может быть достигнуто путем сравнения сигнала от двух антенн с помощью простой электроники, вместо того, чтобы искать максимальную точку за период вращения антенны.
Одна из проблем этого подхода заключается в том, что сигналы радара часто меняют амплитуду по причинам, не имеющим ничего общего с положением луча. Например, в течение нескольких десятых секунды изменения курса цели, дождевые облака и другие проблемы могут существенно повлиять на возвращаемый сигнал. Поскольку системы конического сканирования зависят от роста или ослабления сигнала только из-за положения цели относительно луча, такие изменения в отраженном сигнале могут привести к тому, что он «запутается» в отношении положения цели в области сканирования луча.
Заглушить конический сканер также относительно легко. Глушитель просто должен посылать сигналы на частоте радара с достаточной силой, чтобы заставить его думать, что это был самый сильный сигнал. В этом случае серия случайных коротких всплесков сигнала будет выглядеть как серия целей в разных местах луча. Помехи такого рода можно сделать более эффективными, если синхронизировать сигналы так, чтобы они были такими же, как скорость вращения источника, но транслировались с небольшой задержкой, что приводит к появлению второго сильного пика внутри луча, в котором нет ничего, что отличало бы их. Подобные глушилки были развернуты довольно рано. Британцы использовали их во время Второй мировой войны против немецкого радара конического сканирования «Вюрцбург» .
Моноимпульсные радары по своей общей конструкции похожи на системы конического сканирования, но разделяют луч на части, а затем отправляют два результирующих сигнала из антенны в несколько разных направлениях. Когда отраженные сигналы принимаются, они усиливаются отдельно и сравниваются друг с другом, указывая, какое направление имеет более сильную отдачу и, следовательно, общее направление цели относительно точки прицеливания. Поскольку это сравнение выполняется в течение одного импульса, который обычно длится несколько микросекунд, изменения положения цели или курса не будут влиять на сравнение.
Для такого сравнения необходимо отличать разные части балки друг от друга. Обычно это достигается путем разделения импульса на две части и поляризации каждой из них по отдельности перед отправкой его на набор слегка смещенных от оси рупоров. Это приводит к тому, что набор лепестков, обычно два, перекрываются в направлении оси. Затем эти доли вращаются, как в обычном коническом сканере. При приеме сигналы снова разделяются, затем один сигнал инвертируется по мощности, а затем два суммируются ( на изображении). Если цель находится по одну сторону от точки прицеливания, результирующая сумма будет положительной, если по другую — отрицательной.
Если лепестки расположены близко друг к другу, этот сигнал может обеспечить высокую степень точности наведения внутри луча, увеличивая естественную точность системы конического сканирования. В то время как классические системы конического сканирования обеспечивают точность наведения порядка 0,1 градуса, моноимпульсные радары обычно улучшают этот показатель в 10 раз, а усовершенствованные радары слежения, такие как AN /FPS-16, имеют точность до 0,006 градуса. Это точность около 10 м на расстоянии 100 км.
Устойчивость к помехам значительно улучшена по сравнению с коническим сканированием. Можно вставить фильтры для удаления любого сигнала, который либо неполяризован, либо поляризован только в одном направлении. Чтобы сбить с толку такую систему, сигнал помех должен был бы дублировать поляризацию сигнала, а также время, но поскольку самолет принимает только один лепесток, определить точную поляризацию сигнала сложно. В отношении моноимпульсных систем ECM обычно прибегает к передаче белого шума , чтобы просто ослепить радар, вместо того, чтобы пытаться генерировать ложные локализованные сигналы.
Моноимпульсные антенны выдают суммарный сигнал и два дельта-сигнала. Это позволяет выполнять угловые измерения с использованием одного приемного импульса. Суммарный сигнал обычно проходит обратно по волноводу, используемому для отправки импульса передачи. Два дельта-сигнала — это высота (вверх-вниз) и траверс (влево-вправо). [3]
Суммарный сигнал соответствует лучу антенны вдоль центральной линии антенны. Дельта-сигналы представляют собой пары лучей, которые примыкают к центральной линии суммарного луча антенны. Измерения дельта-луча дают положительные или отрицательные значения в зависимости от квадранта.
Суммарный сигнал создается рупорной конструкцией , расположенной так, чтобы максимизировать сигнал в центре луча антенны. Дельта-РЧ сигналы создаются парами антенных рупоров, расположенных рядом с суммарным рупором (суммарный рупор не показан на рисунке). Выходные сигналы каждой пары дельта-облучателей суммируются, и это создает нулевой выходной сигнал, когда входящий радиочастотный сигнал расположен в центре луча антенны. Уровень сигнала каждого дельта-луча увеличивается по мере удаления самолета от центральной линии антенны.
На показанном изображении волновода горизонтально поляризованный радиочастотный сигнал поступает на два облучателя и создает дельта-сигнал влево/вправо. Поступающая энергия от радиочастотного фронта подается в оба волноводных рупора. Радиочастотный сигнал от обоих рупоров проходит вверх по волноводу, где сигналы от левого и правого рупора объединяются. Комбинатор выполняет математическое вычитание электрических сигналов , поступающих от рупоров. Это вычитание создает дельта-сигнал. Аналогичная конфигурация рупора используется для создания сигнала «дельта вверх/вниз» (не показано). Волноводный узел можно использовать отдельно. В антеннах с высоким коэффициентом усиления узел рупора располагается лицом к отражающей поверхности в фокальной точке или рядом с ней.
Для показанного изображения волновода суммарный сигнал будет создаваться одним волноводным облучателем, расположенным между двумя показанными облучателями.
Суммарные и дельта-радиочастотные сигналы преобразуются в более низкую частоту в приемнике, где происходит дискретизация. Сигнальный процессор формирует сигнал ошибки, используя эти выборки.
Значение + или – для каждого дельта-сигнала создается за счет фазового сдвига на 0 или 180 градусов по сравнению с суммарным сигналом. Калибровочный сигнал вводится в тракт приема, когда радар находится в режиме ожидания, и это устанавливает известный фазовый сдвиг между различными путями микроволнового сигнала (режим покоя).
Угловая ошибка создается из дельта-сигнала путем выполнения комплексного соотношения. Это делается для дельта-лучей влево/вправо, а также для дельта-лучей вверх/вниз (два соотношения). Объяснение того, как в RADAR используются действительные и мнимые части, можно найти в описании импульсного допплера .
Результатом является число со знаком . Результатом процесса калибровки является поворот вектора комплексной угловой ошибки антенны на действительную ось, чтобы уменьшить потери при обработке сигнала.
Угловая ошибка используется для корректировки положения цели вдоль центральной линии антенны. В радаре с механическим управлением ошибка вертикального угла приводит в движение двигатель, который перемещает антенну вверх или вниз, а ошибка горизонтального угла приводит в действие двигатель, который поворачивает антенну влево или вправо. На ракете угловая ошибка является входным сигналом для системы наведения, которая позиционирует стабилизаторы наведения, которые поворачивают корпус ракеты так, чтобы цель находилась на центральной линии антенны.
Колесо, зеркало и свет можно использовать для визуализации реального и воображаемого, описанного в этом уравнении. Зеркало расположено под углом 45 градусов над колесом, чтобы вы могли видеть одновременно переднюю и верхнюю часть колеса. Фонарь прикреплен к колесу, поэтому вы можете видеть колесо, когда освещение в комнате выключено. Вы сидите прямо перед рулем, а друг вращает колесо. Вид передней части колеса (реальной) и верхней части колеса (воображаемой) подскажет вам положение колеса.
Пары действительных и мнимых значений образуют комплексное число , объясняемое как действительная и мнимая части .
Динамическая калибровка необходима, когда между антенной и первым понижающим преобразователем проходят длинные волноводы (см. Супергетеродинный приемник ). Это компенсирует изменения температуры, которые изменяют размер и длину волновода, что вызывает изменения фазы, которые создают неправильные сигналы угловой ошибки для длинных волноводов. Термин Cal создается путем подачи калибровочного сигнала в приемный волновод, когда система неактивна (сумма и дельта). Угловая ошибка калибровочного сигнала используется для оценки угловой ошибки во время нормальной работы. Настройка антенны используется для внесения корректировок, которые создают желаемый сигнал ошибки, когда антенна калибруется в диапазоне антенны.
Когда длина волновода между антенной и приемником короткая, калибровочный сигнал можно опустить и установить для калибровочного термина фиксированное значение. Фиксированное значение также может быть сохранено для систем с длинными волноводами, чтобы обеспечить ухудшенную работу, когда невозможно выполнить радиочастотную калибровку. Для получения стабильных результатов может потребоваться настройка волноводного узла с использованием диапазона антенны.
Четырехквадрантная антенная решетка состоит из четырех подрешеток. Подмассивы разделены расстоянием d . Угол θ (по углу места или по азимуту) оценивается по коэффициенту моноимпульса, который представляет собой отношение разностного сигнала к суммарному сигналу. Уравнение оценки имеет вид:
Вывод более общего вида этого уравнения представлен в [2] .
Системы слежения выдают постоянную информацию о местоположении самолета, и положение антенны является частью этой информации. Сигналы ошибок антенны используются для создания обратной связи в рамках радиолокационной системы, которая может отслеживать самолеты.
Горизонтальный сигнал и вертикальный сигнал, созданные на основе радиочастотных выборок антенны, называются угловыми ошибками. Эти сигналы угловой ошибки указывают угловое расстояние между центром луча антенны и положением воздушного судна внутри луча антенны.
Для антенны с механическим управлением горизонтальный сигнал и вертикальный сигнал используются для создания управляющего сигнала, который создает крутящий момент для двух двигателей позиционирования антенны. Один мотор перемещает антенну влево/вправо. Другой двигатель приводит антенну вверх/вниз. В результате положение антенны перемещается так, что центр луча антенны остается направленным прямо на самолет, даже когда самолет движется перпендикулярно лучу антенны.
При отслеживании радара при сканировании положение и скорость сохраняются для нескольких самолетов. Последнее положение самолета определяется с использованием скорости, и эта информация используется для направления луча энергии в сторону самолета. Полученная информация об ошибке угла моноимпульса используется для корректировки данных о положении и скорости летательного аппарата. Это общий режим для радиолокационных систем с фазированной решеткой .
Моноимпульсное сравнение амплитуд дает объяснение сигналов антенны, участвующих в этом процессе.
Эффект Доплера можно использовать для разделения различных объектов в зависимости от скорости. Этот метод используется при обработке импульсно-доплеровского сигнала RADAR. Это сочетается с коническим сканированием или моноимпульсом для повышения надежности пути. Необходимо отделить сигнал объекта от помех, чтобы избежать отрыва от объекта. Это позволяет избежать проблем, когда система обманывается самолетами, летящими слишком близко к поверхности земли, или самолетами, летящими сквозь облака.
Антенны с коническим сканированием и моноимпульсные антенны чувствительны к помехам, вызванным погодными явлениями и неподвижными объектами. Возникающие в результате помехи могут создавать сигналы обратной связи, которые отодвигают луч антенны от самолета. Это может привести к ненадежному положению антенны, если антенна направлена слишком близко к земле или слишком близко к плохой погоде. Системы без режима импульсно-доплеровского слежения могут по-прежнему нацелены на посторонние объекты, такие как деревья или облака. Постоянное внимание оператора требуется при отсутствии доплеровской обработки сигнала.
Моноимпульсный радар был чрезвычайно «высокотехнологичным», когда он был впервые представлен Робертом М. Пейджем в 1943 году в ходе эксперимента в военно-морской исследовательской лаборатории . В результате это было очень дорого, трудоемко из-за сложности и менее надежно. Его использовали только тогда, когда требовалась чрезвычайная точность, которая оправдывала затраты. Раннее использование включало ракету Nike Ajax , которая требовала очень высокой точности, или для радаров слежения, используемых для измерения различных запусков ракет . Первой в мире бортовой моноимпульсной радиолокационной системой была система AIRPASS , разработанная британской компанией Ferranti , которая поступила на вооружение в 1960 году на самолете-перехватчике English Electric Lightning ВВС Великобритании. Первой разработкой моноимпульсного радара в 1958 году стал AN/FPS-16 , над которым сотрудничали NRL и RCA. В самой ранней версии XN-1 использовалась линза из металлической пластины. Во второй версии XN-2 использовалась обычная параболическая антенна длиной 3,65 метра [12 футов], и именно она пошла в производство. Эти радары сыграли важную роль в миссиях «Меркурий», «Близнецы» и первых миссиях «Аполлон», будучи развернутыми с этой целью на Бермудских островах, в Таннариве и в Австралии, а также в других местах. Модификация IRACQ [Increased Range ACQuisition] была установлена на некоторых из этих установок; конечно, тот, который находился в Вумере, Австралия, был модифицирован таким образом. Одна из наиболее крупных установок впервые появилась в 1970-х годах как радар AN/SPY-1 ВМС США , используемый в боевой системе Aegis , и радар MK-74, используемый в системе управления огнем управляемых ракет «Тартар» и в исследованиях. [4] Стоимость и сложность реализации моноимпульсного отслеживания были снижены, а надежность увеличена, когда цифровая обработка сигналов стала доступна после 1970-х годов. Эта технология используется в большинстве современных радаров слежения и во многих типах одноразовых боеприпасов, таких как ракеты.
