УДК 623.094

Обоснование использования устройств измерения высоты в РЛС П-18

Исабаев Кайыртай Жулдызтаевич – старший преподаватель кафедры Специальных дисциплин Военно-инженерного института радиоэлектроники и связи (Республика Казахстан).

Салий Сергей Михайлович – кандидат военных наук, ассоциированный профессор (доцент) Пограничной академии Комитета национальной безопасности Республики Казахстан.

Джангулова Гульнар Кабатаевна – доцент Казахского национального университета имени Аль-Фараби (Республика Казахстан).

Рысбаева Гульшат Полатовна – кандидат физико-математических наук, доцент Пограничной академии Комитета национальной безопасности Республики Казахстан.

Аннотация: В данной статье рассмотрена сущность принципа вычисления высоты и основных методов ее измерения: метода V-луча, фазового метода измерения высоты; гониометрического метода измерения угла места; метод парциальных диаграмм. наиболее приемлемым для эксплуатации в РЛС П-18М определен фазовый метод измерения высоты.

Ключевые слова: радиолокация, съем высоты, угол места, трехкоординатные РЛС, измерение координат, обнаружение целей, радиолокационные станции, высотомер.

Статья подготовлена в рамках исследования, финансируемого Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (Грант № BR109009-0221).

В настоящее время для увеличения дальности обнаружения и повышения точности измерения угловых координат в радиолокационных станциях (далее – РЛС) применяются антенны направленного действия. Эксплуатация в этих целях остронаправленных антенн детерминирует необходимость обзора пространства по дальности, скорости и угловым координатам, поскольку место возникновения потенциальной цели заранее не известно. Для станции точного измерения координат, которые оперируют априорными данными целеуказания, обзор производится в узком секторе. В данном контексте этимологически более точно будет использование вместо понятия «обзор пространства» термин «поиск цели».

Технологически в процессе обзора пространства в каждый из разрешаемых объемов зоны обнаружения с определенной регулярностью направляются зондирующие сигналы. Это закономерно обуславливает в общей системе качественных показателей РЛС возрастание значимости таких параметров, как время обзора; темпы обновления информации и ее выдачи; точность измерения координат; разрешающие способности РЛС; помехозащищенность; степень сложности технических реализаций и, что вполне рационально, стоимость РЛС [1].

Процесс получения радиолокационной информации, как известно, состоит из следующих основных и очень важных этапов: обнаружение целей; измерение координат и параметров движения; разрешение целей; опознавание и распознавание целей.

Любой радиолокатор в конечном итоге предназначен для измерения тех или иных координат и параметров движения целей. Измерение является основной операцией радиолокатора и осуществляется в процессе всей его работы.

В трехкоординатных РЛС и радиолокационных высотометрах для измерения высоты следует производить обзор не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной. Выбор конкретного метода измерения высоты, по мнению ряда исследователей, исходит из возможности применения в этих целях последовательного, параллельного и смешанного видов обзора [1].

Рассмотрим используемые методы для измерения высоты:

• высотомер;
• метод V-луча;
• фазовый метод измерения высоты;
• гониометрический метод измерения угла места;
• метод парциальных диаграмм.

Антенна высотомера, который представляет одноканальную импульсную РЛС, генерирует однолепестковую, более узкую в вертикальной плоскости, диаграмму направленности игольчатого вида. Обзор пространства, равно как и измерение угла места цели, осуществляется путем механического качания антенны в вертикальной плоскости.

Решение уравнения высоты по известным значениям угла места e и наклонной дальности D_н обнаруженных целей определяют высоту H в высотомерах, как и в большинстве трехкоординатных РЛС. Пояснение принципа вычисления высоты представлено на рисунке 1.

Н = D_н·sin e.      (1);

Рисунок 1. Пояснение принципа вычисления высоты.

Следущий метод – метод V-луча. Принцип его системно впервые был сформулирован в 1938 г. М.И. Бонч-Бруевичем – научным руководителем одного из секретных советских НИИ. В общий перечень этого НИИ входили, в первую очередь, общие проблемы оборонных технологий, в числе которых были и вопросы изучения радиолокации [2]. Суть этого подхода заключается в эксплуатации некоторыми современными трехкоординатными РЛС для определения высоты целей двух антенн с плоскими диаграммами направленности (далее – ДН). Одна из них расположена вертикально, а другая – наклонно к первой, под углом g (например, в РЛС 1Л117, где g = 45⁰).

Скорость вращения обеих ДН антенн вокруг вертикальной оси ОО^' постоянна. Цель первоначально попадает в вертикальную ДН (рис. 2), а затем, при повороте на угол Db, в наклонную, как это представлено на рисунке 2.

а.

б.

Рисунок 2. Сущность метода V-луча.

Разность фаз электромагнитных колебаний (эффект Доплера), принимаемых различными приемными каналами РЛС (рис.3), и дала название фазовому (когерентному) методу, позволяющему измерить угол места e. Опираясь на полученные значения и наклонной дальности, далее по формуле осуществляется вычисление высоты. Данный метод был реализован, например, в РЛС 55Жб.

Рисунок 3. Сущность фазового метода измерения высоты.

Примером реализации гониометрический метода измерения угла места является РЛС П-12 с двухэтажной антенной: верхней (ВА) и нижней (НА). Эхо-сигналы от верхней и нижней антенн раздельно подводятся к гониометру. Приемные каналы и от ВА, и от НА до гониометра идентичны.

Эквивалентная схема рассматриваемой системы состоит из взаимно перпендикулярных неподвижных катушек и подвижной катушки и представлена на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Сущность гониометрического метода измерения угла места.

Рисунок 5. Пример технической реализации гониометра.

В случае, когда ДН приемной антенны РЛС представлена в виде нескольких узких лепестков, расходящихся веером в угломестной плоскости, используется метод парциальных диаграмм. Примерами РЛС такого типа являются образцы 19Ж6 и 22Ж6М, где каждому лепестку соответствует отдельный приемный канал.

Определение высоты цели осуществляется с использованием формулы

Н = D_н·sin e + D²_н/2·R_зэ + DH_р      (2)

Определение угла места при этом осуществляется либо, как, например, в РЛС 22Ж6М – способом дискретного отсчета, либо – в РЛС 19Ж6 – способом сравнения амплитуд сигналов в соседних парциальных каналах.

Виды дискретного отсчета

• однопороговый;
• многопороговый.

Из всех вышеперечисленных методов наиболее приемлемым для эксплуатации в РЛС П-18М полагаем считать фазовый, в основе которого лежит измерение разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными приемными каналами РЛС. Данный выбор детерминирован тем, что антенно-фидерная система, реализованная в РЛС П-18М, также имеет два канала приема – верхний и нижний этажи антенны.

В соответствие с этим, расположим в пунктах 1 и 2 две приемные антенны. База – расстояние между ними – будет равно d (рис.3). Сигналы, принятые данными антеннами, подводятся к фазовому детектору (далее – ФД), выходное напряжение которого будет определяться только разностью фаз колебаний (амплитуды обоих колебаний можно считать на входе ФД равными)

U_вых = k·cos Dj.      (3)

При варианте, когда угол места цели (направление прихода радиоволны) составляет угол e с перпендикуляром к базе, то фазовый сдвиг высокочастотных колебаний в антеннах равен

Dj= (2p/l)·sin e.      (4)

Пеленгационная характеристика измерителя имеет вид

U_вых(e) = k·cos((2p/l)·sin e)      (5)

Из этой формулы следует, что, измеряя U_вых, можно определить величину e.

Вид пеленгационной характеристики для малых значений e, когда sin e » e, представлен на рисунке 6 (кривая 1). Ее анализ показывает, что точность измерения угловой координаты вблизи значения e = 0 низка (мала крутизна кривой). Кроме того, по мнению В.Н. Тяпкина, нельзя определить направление смещения цели от перпендикуляра к базе (что важно для РЛС слежения). Оба недостатка могут быть устранены, если ввести искусственный фазовый сдвиг сигнала на p/2 в одном из усилителей [2].

Рисунок 6. Вид пеленгационной характеристики.

При введении дополнительного фазового сдвига пеленгационная характеристика примет вид:

U_вых(e) = k·sin Dj = k·sin[(2p/l)·sin e] (кривая 2 на рис.6).

После обзора основных методов измерения высоты в РЛС. Описана их сущность. Как видим, у каждого метода есть свои недостатки и свои преимущества.

Таким образом, рассмотрение принципа вычисления высоты и основных методов ее измерения позволяет сделать вывод, что для измерения высоты в РЛС П-18М наиболее эффективным можно считать фазовый метод измерения высоты, так как в данной РЛС имеется два этажа антенн. Фазовый метод измерения угла места основан на измерении разности фаз электромагнитных колебаний, принимаемых различными приемными каналами РЛС.

Список литературы

1. Бердышев В.П., Основы построения радиолокационных станций. Часть 1, часть 2: Учебное пособие. Тверь. ВУ ПВО, 2003.
2. Тяпкин В.Н., Основы построения радиолокационных станций радиотехнических войск. Учебник. Сибирский федеральный университет, 2016.