Средства наблюдения в радиодиапазоне

Радиолокационное и радиотеплолокационное наблюдение осу­ществляется в радиодиапазоне электромагнитных волн с помощью способов и средств радиолокации и радиотеплолокации.

Для получения радиолокационного изображения в радиолока­торе формируется зондирующий узкий, сканирующий по горизон­тали и вертикали, луч электромагнитной волны, которым облуча­ется пространство с объектом наблюдения. Отраженный от повер­хности объекта радиосигнал принимается радиолокатором и мо­дулирует электронный луч электронно-лучевой трубки его инди­катора, который, перемещаясь, синхронно с зондирующим лучом «рисует» на экране изображение объекта. Принципы радиолокаци­онного наблюдения показаны на рис. 16.6.

Рис. 16.6. Принципы радиолокационного наблюдения

Так как в радиолокаторе для передачи и приема используется одна и та же антенна, то при излучении коммутатор подключает к антенне передатчик, а при приеме — приемник. Момент излуче­ния фиксируется на индикаторе РЛС в качестве точки отсчета для измерения дальности нахождения объекта. Расстояние до объек­та равно половине пути, который проходит электромагнитная вол­на за время между моментами излучения зондирующего сигнала и приема отраженного от объекта сигнала.

Радиолокационное изображение существенно отличается от изображения в оптическом диапазоне. Различие обусловлено раз­ными способами получения изображения и свойствами отражаю­щей поверхности объектов в оптическом и радиодиапазонах.

Отражательная способность объекта в радиодиапазоне зави­сит не только от его геометрических размеров, но и от электропро­водности его поверхности и конфигурации поверхности по отно­шению к направлению зондирующего луча радиолокатора. Если участок электропроводящей поверхности (металла, пленки воды) перпендикулярен направлению падающей на него электромагнит­ной волны радиолокационной станции, то большая часть ее энер­гии переотразится в сторону приемной антенны радиолокато­ра и будет визуализирована на его экране в виде яркой («блестя­щей») точки. При увеличении угла между зондирующим лучом и плоскостью участка поверхности объекта энергия поля у прием­ной антенны локатора будет уменьшаться вплоть до ее отсутствия. Следовательно, изображения на экране радиолокатора одного и того же объекта будут различаться при наблюдении его под разны­ми углами. Отражающая способность объекта со сложной конфи­гурацией поверхности оценивается показателем, который называ­ется эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), измеряется в м² и обозначается символом а.

Основными показателями радиолокационных средств наблю­дения являются:

•дальность наблюдения;

•разрешающая способность на местности.

Дальность радиолокационного наблюдения зависит от из­лучаемой радиолокатором энергии (мощности передатчика лока­тора) и характеристик среды распространения электромагнитной волны. Ослабление электромагнитной волны зависит от дальности распространения и поглощения ее в среде. Чем короче длина вол­ны, тем больше она затухает в атмосфере. Но одновременно тем выше может быть обеспечена разрешающая способность радиоло­катора на местности.

Разрешение радиолокатора на местности определяется ве­личиной пятна, которое создает луч радиолокационной станции на поверхности объекта или местности. Пятно тем меньше, чем уже диаграмма направленности антенны радиолокатора. Ширина диаграммы направленности антенны, в свою очередь, обусловле­на соотношением геометрических размеров конструкции антен­ны и длины волны. Кроме того, следует иметь в виду, что электро­магнитная волна отражается от объекта или его деталей, если их размеры превышают длину волны. Если размеры их значительно меньше, то волна эти объекты огибает. В связи с этими соображе­ниями наиболее широко в радиолокации применяется сантиметро­вый диапазон с тенденцией перехода в мм-диапазон.

Наземные радиолокаторы бывают малой, средней, большой дальности и сверхдальнего действия. РЛС малой дальности приме­няют для обнаружения людей и транспортных средств на рассто­янии в сотни метров, средней — единицы км, большой — десятки км. Точность определения координат наземных РЛС составляет по дальности 10-20% и около градуса по азимуту.

Сверхдальние (загоризонтные) РЛС используют эффект, от­крытый в 60-е годы Н. И. Кабановым. Этот эффект состоит в рас­пространении радиоволн в декаметровом диапазоне на большие расстояния не только в прямом, но и обратном направлениях. Отражаясь от объектов на земной поверхности на удалении 800-4000 и более км от РЛС, электромагнитные волны, несущие инфор­мацию о демаскирующих признаках объектов, принимаются и ре­гистрируются приемником радиолокатора. Но из-за нестабильнос­ти ионосферы разрешение таких РЛС значительно хуже, чем у надгоризонтных радиолокаторов.

Повышение разрешающей способности радиолокаторов без значительного увеличения размеров антенны, что особенно важ­но для воздушного и космического радиолокационного наблюде­ния, обеспечивается в радиолокационных станциях бокового об­зора (РЛС БО). Они размещаются на самолетах и разведыватель­ных КА.

В РЛС БО применяются два вида антенн: радиолокацион­ные вдольфюзеляжные (РФА) и с синтезированной аппертурой (РСА).

Элементы антенны первого вида размещают на фюзеляже са­молета с обеих его сторон или в подвесном контейнере-обтекателе. Благодаря такому расположению длина антенны может достигать

10-15 м. Такая антенна создает узкую (в доли градусов) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и широкую — в вер­тикальной. Антенна формирует один или два (при обзоре двух сто­рон) луча, направленных перпендикулярно линии полета самоле­та V (см. рис. 16.7).

б) Антенна с синтезированной апертурой

Рис. 16.7. Принципы работы радиолокатора бокового обзора

Излученный антенной РЛС БО радиоимпульс облучает учас­ток местности шириной Δх и длиной Δу. При полете самолета по прямолинейной траектории луч РЛС перемещается вместе с само­летом, а на индикаторе РЛС формируется изображение полосы мес­тности, параллельной траектории полета самолета.

Особенностью бокового обзора является невозможность про­смотра полосы местности под самолетом и ухудшение линейного разрешения пропорционально увеличению боковой дальности от самолета.

Повышение угловой разрешающей способности РЛС с синте­зированной апертурой антенны основано на формировании узкой диаграммы направленности по азимуту с помощью виртуальной антенной решетки. В РЛС применяется небольшая антенна, широ­кая диаграмма направленности которой неподвижна относительно самолета и направлена на земную поверхность перпендикулярно линии полета. При полете самолета антенна РЛС последовательно занимает в пространстве положения на прямой траектории поле­та самолета, эквивалентные положениям элементов гипотетичес_кой антенной решетки. В результате запоминания сигналов, пос­ледовательно принимаемых антенной в п точках траектории поле­та самолета, и их когерентного суммирования достигается эффект, аналогичный приему п элементами физической антенной решетки. Размер решетки (синтезированной апертуры) соответствует длине участка траектории, на котором производится запоминание и коге­рентное суммирование сигналов. Ширина диаграммы направлен­ности в горизонтальной плоскости синтезированной антенны РЛС в п раз меньше ширины диаграммы физической антенны, установ­ленной на самолете или КА. Используя этот метод, можно увели­чить разрешающую способность РЛС по азимуту в 100 и более раз.

При наблюдении земной поверхности с помощью РЛС с РСА предъявляются жесткие требования к прямолинейности траекто­рии полета самолета, к стабильности амплитудно-фазовых харак­теристик приемно-передающего тракта РЛС и устройств обработ­ки сигналов, параметров среды распространения и характеристик отражения радиоволн наблюдаемыми объектами. Для цифровой обработки сигналов требуется также высокая производительность и большой объем памяти бортового компьютера.

Наряду с тенденцией уменьшения длины волны радиолокатора для повышения его разрешающей способности применяются РЛС в дециметровом и метровом диапазонах волн. Главное преимущес­тво волн с более низкими частотами — существенное увеличение их проникающей способности. Для сухой почвы она может дости­гать нескольких метров. Это позволяет наблюдать сигналы, отра­женные не только от поверхности Земли или объекта, но и различ­ными неоднородностями в глубине. Появляются дополнительные демаскирующие признаки объектов и возможность их наблюдения при маскировке, например, естественной растительностью.

Эти свойства электромагнитной волны реализуются в радио­локационной станции подповерхностной радиолокации, называе­мой георадаром. Антенна георадара излучает сверхкороткие элек­тромагнитные импульсы длительностью в доли и единицы наносе­кунды. Центральная частота и длительность импульса определя­ются исходя из необходимой глубины зондирования и разрешаю­щей способности георадара. В диапазоне 0-500 МГц глубина зондирования составляет единицы м, а разрешающая способность —. десятки см. На более высоких частотах (около 1000 МГц) глубина зондирования уменьшается до долей м, но разрешающая способ­ность увеличивается до единиц см. Георадары активно использу­ются во многих сферах деятельности — в геологии, строительстве, экологии, оборонной промышленности и др., в том числе при поис­ке тайников, захоронений, подкопов.

Прием слабых тепловых радиоизлучений материальных тел (объектов) обеспечивает пассивная радиолокация или радиотепло-локация. Мощность излучения объектов в радиодиапазоне с при­емлемой погрешностью определяется по формуле Релея—Джинса, в соответствии с которой энергетическая плотность (мощность в Вт на м²) излучения пропорциональна температуре в °К и обратно пропорциональна квадрату длины волны.

Радиотеплолокационное наблюдение объектов осуществля­ется с помощью специальных радиоприемных средств, называе­мых радиометрами. В радиометре производится суммирование тепловых радиоизлучений элементов поверхности объекта наблю­дения и усиление суммарного сигнала, его детектирование, уси­ление видеосигнала и формирование радиотеплолокационного изображения на индикаторе (экране) аналогично формированию изображения на индикаторе радиолокационной станции. В свя­зи с тем что параметры антенны радиометра оказывают более су­щественное влияние на его дальность и разрешение, к антенне ра­диометра предъявляются более жесткие требования к максимуму коэффициента усиления и минимуму уровня боковых лепестков. Применяются зеркальные параболические, линзовые и многоэле­ментные антенны.

Для снижения собственных тепловых шумов во входных кас­кадах радиометра используются слабошумящие квантомеханические и параметрические усилители, различные способы компенса­ции помех в цепях радиометра и др.

Учитывая невысокие по сравнению с активной радиолокацией дальность и разрешение радиометров, возможности радиотеплолокации по добыванию видовых демаскирующих признаков весьма ограничены.

Вопросы для самопроверки

1. Состав и технические характеристики типового оптического приемника.

Показатели объективов, влияющие на добывание информации. Типы визуально-оптических приборов, используемых для до­бывания информации.

4.Назначение и состав технических эндоскопов.

5.Преимущества и недостатки цифровых аппаратов по сравнению с пленочными.

6.Принципы записи широкополосных сигналов на магнитную ленту.

7.Принципы работы приборов с зарядовой связью.

8.Принципы формирования изображений на газоразрядных и жидкокристаллических панелях. Их преимущества по сравне­нию электроннолучевыми трубками.

9.Принципы работы приборов ночного видения и пути улучше­ния их параметров.

10.Отличия тепловизоров от приборов ночного видения.

11.Средства, применяемые для радиолокационного наблюдения с летательных и космических аппаратов, пути повышения их раз­
решающей способности.